本發(fā)明涉及一種導熱各向異性的SiC復合陶瓷塊體材料及制備方法，屬于無機非金屬材料技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

近年來，由于激光的一些特性，使其在很多領(lǐng)域都有所應(yīng)用，而激光作為武器使用則成為了目前國際各國研究的熱點。目前，高能激光武器已經(jīng)在?；?、陸基和空基防御系統(tǒng)中得到了應(yīng)用。高能激光武器可以使軍事目標失能或毀壞，可以在防御系統(tǒng)中對抗導彈、衛(wèi)星、無人機等飛行器，因此研究激光防護材料迫在眉睫。

熱損傷作用是激光武器破壞目標的主要機制之一，即利用強激光對物質(zhì)的作用，當目標接受的輻射功率達到一定值時熱量的積累速度遠大于材料的散熱速度造成溫度急劇上升，超過材料的耐受值時，發(fā)生材料的燒蝕、融化或氣化，在表面形成燒蝕坑或穿孔。目前應(yīng)用在高能激光武器防護領(lǐng)域的材料多為高發(fā)射率、低熱導率的陶瓷材料，雖然其低熱導率(通常小于10W/(m·K))能起到對內(nèi)部基體的隔熱效果，但會使熱量無法快速散出導致光斑中心位置最先被破壞燒損，內(nèi)部被暴露進一步被燒損最終形成燒蝕坑。然而，導熱各向異性材料由于其橫向熱導遠大于縱向熱導，理論上能實現(xiàn)將熱量向四周快速傳導同時起到對基體的隔熱保護作用，達到有效的防護效果。但是，目前關(guān)于將具有導熱各向異性材料應(yīng)用于高能激光武器防護領(lǐng)域的實驗還未見報道。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種導熱各向異性的SiC復合陶瓷塊體材料及制備方法，所述方法工藝簡單，成本低廉，實現(xiàn)了片層狀碳材料的定向排布；所制備的復合陶瓷塊體材料的軸向熱導率與徑向熱導率具有顯著的差異，既能實現(xiàn)將熱量向四周快速傳導同時起到對基體的隔熱保護作用，達到有效的防護效果。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種導熱各向異性的SiC復合陶瓷塊體材料，所述復合陶瓷塊體材料由碳化硅、片層狀碳材料以及釔鋁石榴石組成；其中，碳化硅的質(zhì)量與釔鋁石榴石的質(zhì)量比為9～10:1，碳材料的質(zhì)量與碳化硅和釔鋁石榴石的質(zhì)量之和比為1:17～99。

所述片層狀碳材料優(yōu)選石墨烯或氧化石墨烯。

碳材料的質(zhì)量與碳化硅和釔鋁石榴石的質(zhì)量之和比優(yōu)選1:19～33。

一種如本發(fā)明所述的導熱各向異性的SiC復合陶瓷塊體材料的制備方法，所述方法步驟如下：

步驟1.將碳化硅、片層狀碳材料、氧化釔、氧化鋁以及無水乙醇加入球磨罐中，然后在300r/min～400r/min的轉(zhuǎn)速下球磨6h～8h，得到混合均勻的漿料；將混合均勻的漿料放入旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀中除去無水乙醇，再將旋蒸后的固體置于80℃～100℃下進行干燥，得到干燥粉體；

步驟2.將步驟1得到的干燥粉體放入石墨模具中，再將石墨模具置于放電等離子燒結(jié)爐中，然后在石墨模具軸向上施加20MPa～30MPa的壓力，并升溫到1600℃～1800℃，保壓保溫3min～5min后，隨爐冷卻，石墨模具中的固體即為所述導熱各向異性的SiC復合陶瓷塊體材料。

所述碳化硅、氧化釔以及氧化鋁的顆粒平均粒徑分別獨立為0.3μm～0.5μm。

氧化釔與氧化鋁按照化學計量比進行混合，氧化釔的摩爾數(shù)與氧化鋁的摩爾數(shù)比為3:5。

放電等離子燒結(jié)爐中，升溫速率為80℃/min～100℃/min。

有益效果

(1)本發(fā)明所述導熱各向異性的SiC復合陶瓷塊體材料，其主要成分為碳化硅及石墨烯；其中碳化硅具有很高的熱穩(wěn)定性，同時具有高導熱性的特點，但該材料本身不具有導熱各向異性；石墨烯是一種具有導熱各向異性的高導熱性材料，但其在空氣中直接被高能激光輻照極易被氧化；實現(xiàn)石墨烯在SiC復合陶瓷中的定向分布能夠該使復合材料實現(xiàn)導熱各向異性，同時由于石墨烯分散于復合材料內(nèi)部，受到碳化硅的保護，使得該復合材料兼具優(yōu)良的熱穩(wěn)定性；本發(fā)明所述導熱各向異性的SiC復合陶瓷塊體材料在抗高能激光輻照領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

(2)本發(fā)明所述制備方法中，通過調(diào)控放電等離子燒結(jié)的參數(shù)，實現(xiàn)片層狀碳材料在所述復合陶瓷塊體材料中的定向排布；所述方法工藝簡單，成本低廉。

附圖說明

圖1為實施例1中制備的導熱各向異性的SiC復合陶瓷塊體材料的X射線衍射(XRD)圖。

圖2為實施例1中制備的導熱各向異性的SiC復合陶瓷塊體材料的斷面掃描電子顯微鏡(SEM)圖。

圖3為實施例2中制備的導熱各向異性的SiC復合陶瓷塊體材料的X射線衍射圖。

圖4為實施例2中制備的導熱各向異性的SiC復合陶瓷塊體材料的斷面掃描電子顯微鏡圖。

圖5為實施例3中制備的導熱各向異性的SiC復合陶瓷塊體材料的斷面掃描電子顯微鏡圖。

圖6為實施例4中制備的導熱各向異性的SiC復合陶瓷塊體材料的斷面掃描電子顯微鏡圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施方式對本發(fā)明做進一步說明。

以下實施例中所用試劑如下表所示：

以下實施例中所用儀器如下表所示：

比熱容的計算公式：c_p＝c_p1×ω₁+c_p2×ω₂+c_p3×ω₃；其中，c_p1和ω₁、c_p2和ω₂、c_p3和ω₃分別為碳化硅、片層狀碳材料以及釔鋁石榴石的比熱容及其質(zhì)量分數(shù)；

熱導率計算公式：λ_s＝α_s×c_p×ρ_s；其中，λ_s為熱導率，α_s為熱擴散系數(shù)，c_p為比熱容，ρ_s為密度。

實施例1

含5wt％石墨烯的導熱各向異性的SiC復合陶瓷塊體材料的制備：

步驟1.將85.5g平均粒徑為0.5μm的碳化硅、5g直徑為5μm～10μm的石墨烯、5.42g平均粒徑為0.3μm的氧化釔、4.08g平均粒徑為0.5μm的氧化鋁以及粒徑大小不同的氧化鋯球加入球磨罐中，再加入無水乙醇至球磨罐體積的2/3處，然后先將球磨罐置于超聲儀中超聲30min，再放入行星球磨機中在400r/min的轉(zhuǎn)速下球磨6h，得到混合均勻的漿料；將混合均勻的漿料放入水浴加熱的旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀中，然后在30r/min的旋蒸轉(zhuǎn)速以及70℃的水浴加熱溫度下除去無水乙醇，再將旋蒸后的固體置于80℃的恒溫干燥箱中干燥24h，得到干燥粉體；

其中，氧化鋯球的質(zhì)量與碳化硅、石墨烯、氧化釔和氧化鋁質(zhì)量之和的比為4:1，大、中、小三種不同粒徑的氧化鋯球的質(zhì)量比為1:2:2；

步驟2.將步驟1得到的干燥粉體放入內(nèi)徑為Φ20.4mm、壓頭直徑為Φ20mm的石墨模具中，再將石墨模具置于放電等離子燒結(jié)爐中，在石墨模具軸向上施加25MPa的單向壓力，以100℃/min的升溫速率升溫到1700℃，保壓保溫5min后，隨爐冷卻，石墨模具中的固體即為所述導熱各向異性的SiC復合陶瓷塊體材料。

圖1的XRD譜圖中僅存在碳化硅、釔鋁石榴石以及石墨烯三種物質(zhì)的特征峰，說明本實施例所制備的復合陶瓷塊體材料存在碳化硅、釔鋁石榴石以及石墨烯三相，無其他雜質(zhì)相存在。從圖2的斷面SEM圖中可以看到，石墨烯在本實施例所制備的復合陶瓷塊體材料中定向排布。

根據(jù)阿基米德排水法采用電子天平和密度測定組件測得所制備的復合陶瓷塊體材料的密度ρ_s為3.15g/cm³。根據(jù)比熱容的計算公式計算出所制備的復合陶瓷塊體材料的比熱容為670.35J/(kg·K)。根據(jù)儀器LFA447的制樣要求，將所制備的復合陶瓷塊體材料加工成尺寸為Φ20mm×0.2mm的試樣，測得徑向熱擴散系數(shù)α_s1為37.61mm²/s；加工成尺寸為Φ12.7mm×2mm的試樣，測得軸向熱擴散系數(shù)α_s2為22.95mm²/s。根據(jù)熱導率計算公式計算出所制備的復合陶瓷塊體材料的徑向熱導率為79.43W/(m·K)，軸向熱導率為48.45W/(m·K)。測試結(jié)果表明，本實施例所制備的復合陶瓷塊體材料具有明顯的導熱各向異性特征，用徑/軸向熱導率比值表示其導熱各向程度為1.64。

實施例2

含5wt％氧化石墨烯的導熱各向異性的SiC復合陶瓷塊體材料的制備：

步驟1.將85.5g平均粒徑為0.5μm的碳化硅、5g直徑為1μm～5μm的氧化石墨烯、5.42g平均粒徑為0.3μm的氧化釔、4.08g平均粒徑為0.5μm的氧化鋁以及粒徑大小不同的氧化鋯球加入球磨罐中，再加入無水乙醇至球磨罐體積的2/3處，然后先將球磨罐置于超聲儀中超聲30min，再放入行星球磨機中在400r/min的轉(zhuǎn)速下球磨6h，得到混合均勻的漿料；將混合均勻的漿料放入水浴加熱的旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀中，然后在30r/min的旋蒸轉(zhuǎn)速以及70℃的水浴加熱溫度下除去無水乙醇，再將旋蒸后的固體置于80℃的恒溫干燥箱中干燥24h，得到干燥粉體；

其中，氧化鋯球的質(zhì)量與碳化硅、石墨烯、氧化釔和氧化鋁質(zhì)量之和的比為4:1，大、中、小三種不同粒徑的氧化鋯球的質(zhì)量比為1:2:2；

步驟2.將步驟1得到的干燥粉體放入內(nèi)徑為Φ20.4mm、壓頭直徑為Φ20mm的石墨模具中，再將石墨模具置于放電等離子燒結(jié)爐中，在石墨模具軸向上施加25MPa的單向壓力，以100℃/min的升溫速率升溫到1700℃，保壓保溫5min后，隨爐冷卻，石墨模具中的固體即為所述導熱各向異性的SiC復合陶瓷塊體材料。

圖3的XRD譜圖中僅存在碳化硅、釔鋁石榴石以及石墨烯三種物質(zhì)的特征峰，說明本實施例所制備的復合陶瓷塊體材料存在碳化硅、釔鋁石榴石以及石墨烯三相，無其他雜質(zhì)相存在。從圖4的斷面SEM圖中可以看到，石墨烯在本實施例所制備的復合陶瓷塊體材料中定向排布。

根據(jù)阿基米德排水法采用電子天平和密度測定組件測得所制備的復合陶瓷塊體材料的密度ρ_s為3.22g/cm³。根據(jù)比熱容的計算公式計算出所制備的復合陶瓷塊體材料的比熱容為669.70J/(kg·K)。根據(jù)儀器LFA447的制樣要求，將所制備的復合陶瓷塊體材料加工成尺寸為Φ20mm×0.2mm的試樣，測得徑向熱擴散系數(shù)α_s1為38.26mm²/s；加工成尺寸為Φ12.7mm×2mm的試樣，測得軸向熱擴散系數(shù)α_s2為21.00mm²/s。根據(jù)熱導率計算公式計算出所制備的復合陶瓷塊體材料的徑向熱導率為82.43W/(m·K)，軸向熱導率為45.24W/(m·K)。測試結(jié)果表明，本實施例所制備的復合陶瓷塊體材料具有明顯的導熱各向異性特征，用徑/軸向熱導率比值表示其導熱各向程度為1.82。

實施例3

含3wt％石墨烯的導熱各向異性的SiC復合陶瓷塊體材料的制備：

步驟1.將87.3g平均粒徑為0.5μm的碳化硅、3g直徑為5μm～10μm的石墨烯、5.53g平均粒徑為0.3μm的氧化釔、4.17g平均粒徑為0.5μm的氧化鋁以及粒徑大小不同的氧化鋯球加入球磨罐中，再加入無水乙醇至球磨罐體積的2/3處，然后先將球磨罐置于超聲儀中超聲30min，再放入行星球磨機中在300r/min的轉(zhuǎn)速下球磨8h，得到混合均勻的漿料；將混合均勻的漿料放入水浴加熱的旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀中，然后在30r/min的旋蒸轉(zhuǎn)速以及70℃的水浴加熱溫度下除去無水乙醇，再將旋蒸后的固體置于100℃的恒溫干燥箱中干燥20h，得到干燥粉體；

其中，氧化鋯球的質(zhì)量與碳化硅、石墨烯、氧化釔和氧化鋁質(zhì)量之和的比為4:1，大、中、小三種不同粒徑的氧化鋯球的質(zhì)量比為1:2:2；

步驟2.將步驟1得到的干燥粉體放入內(nèi)徑為Φ20.4mm、壓頭直徑為Φ20mm的石墨模具中，再將石墨模具置于放電等離子燒結(jié)爐中，在石墨模具軸向上施加30MPa的單向壓力，以90℃/min的升溫速率升溫到1700℃，保壓保溫4min后，隨爐冷卻，石墨模具中的固體即為所述導熱各向異性的SiC復合陶瓷塊體材料。

從表征得到的XRD譜圖中可知，XRD譜圖中僅存在碳化硅、釔鋁石榴石以及石墨烯三種物質(zhì)的特征峰，說明本實施例所制備的復合陶瓷塊體材料存在碳化硅、釔鋁石榴石以及石墨烯三相，無其他雜質(zhì)相存在。從圖5的斷面SEM圖中可以看到，石墨烯在本實施例所制備的復合陶瓷塊體材料中定向排布。

根據(jù)阿基米德排水法采用電子天平和密度測定組件測得所制備的復合陶瓷塊體材料的密度ρ_s為3.19g/cm³。根據(jù)比熱容的計算公式計算出所制備的復合陶瓷塊體材料的比熱容為669.51J/(kg·K)。根據(jù)儀器LFA447的制樣要求，將所制備的復合陶瓷塊體材料加工成尺寸為Φ20mm×0.2mm的試樣，測得徑向熱擴散系數(shù)α_s1為35.15mm²/s；加工成尺寸為Φ12.7mm×2mm的試樣，測得軸向熱擴散系數(shù)α_s2為25.69mm²/s。根據(jù)熱導率計算公式計算出所制備的復合陶瓷塊體材料的徑向熱導率為75.15W/(m·K)，軸向熱導率為54.92W/(m·K)。測試結(jié)果表明，本實施例所制備的復合陶瓷塊體材料具有明顯的導熱各向異性特征，用徑/軸向熱導率比值表示其導熱各向程度為1.37。

實施例4

含1wt％石墨烯的導熱各向異性的SiC復合陶瓷塊體材料的制備：

步驟1.將89.1g平均粒徑為0.5μm的碳化硅、1g直徑為5μm～10μm的石墨烯、5.65g平均粒徑為0.3μm的氧化釔、4.25g平均粒徑為0.5μm的氧化鋁以及粒徑大小不同的氧化鋯球加入球磨罐中，再加入無水乙醇至球磨罐體積的2/3處，然后先將球磨罐置于超聲儀中超聲30min，再放入行星球磨機中在300r/min的轉(zhuǎn)速下球磨8h，得到混合均勻的漿料；將混合均勻的漿料放入水浴加熱的旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀中，然后在30r/min的旋蒸轉(zhuǎn)速以及70℃的水浴加熱溫度下除去無水乙醇，再將旋蒸后的固體置于100℃的恒溫干燥箱中干燥20h，得到干燥粉體；

其中，氧化鋯球的質(zhì)量與碳化硅、石墨烯、氧化釔和氧化鋁質(zhì)量之和的比為4:1，大、中、小三種不同粒徑的氧化鋯球的質(zhì)量比為1:2:2；

步驟2.將步驟1得到的干燥粉體放入內(nèi)徑為Φ20.4mm、壓頭直徑為Φ20mm的石墨模具中，再將石墨模具置于放電等離子燒結(jié)爐中，在石墨模具軸向上施加25MPa的單向壓力，以80℃/min的升溫速率升溫到1700℃，保壓保溫5min后，隨爐冷卻，石墨模具中的固體即為所述導熱各向異性的SiC復合陶瓷塊體材料。

從表征得到的XRD譜圖中可知，XRD譜圖中僅存在碳化硅、釔鋁石榴石以及石墨烯三種物質(zhì)的特征峰，說明本實施例所制備的復合陶瓷塊體材料存在碳化硅、釔鋁石榴石以及石墨烯三相，無其他雜質(zhì)相存在。從圖6的斷面SEM圖中可以看到，石墨烯在本實施例所制備的復合陶瓷塊體材料中定向排布。

根據(jù)阿基米德排水法采用電子天平和密度測定組件測得所制備的復合陶瓷塊體材料的密度ρ_s為3.27g/cm³。根據(jù)比熱容的計算公式計算出所制備的復合陶瓷塊體材料的比熱容為668.68J/(kg·K)。根據(jù)儀器LFA447的制樣要求，將所制備的復合陶瓷塊體材料加工成尺寸為Φ20mm×0.2mm的試樣，測得徑向熱擴散系數(shù)α_s1為32.44mm²/s；加工成尺寸為Φ12.7mm×2mm的試樣，測得軸向熱擴散系數(shù)α_s2為28.10mm²/s。根據(jù)熱導率計算公式計算出所制備的復合陶瓷塊體材料的徑向熱導率為70.89W/(m·K)，軸向熱導率為61.41W/(m·K)。測試結(jié)果表明，本實施例所制備的復合陶瓷塊體材料具有明顯的導熱各向異性特征，用徑/軸向熱導率比值表示其導熱各向程度為1.15。

綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。