碳化硅陶瓷的制备和导热性能研究

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1、硕士学位论文碳化硅陶瓷的制备和导热性能研究RESEARCHOFFABRICATIONANDTHERMALCONDUCTIVITYOFSILICONCARBIDECERAMIC赵更一哈尔滨工业大学2016年12月万方数据国内图书分类号：TB321学校代码：10213国际图书分类号：620密级：公开工学硕士学位论文碳化硅陶瓷的制备和导热性能研究硕士研究生：赵更一导师：李玉峰助理教授申请学位：工学硕士学科：材料学所在单位：深圳研究生院答辩日期：2016年12月授予学位单位：哈尔滨工业大学万方数据ClassifiedIndex:TB3

2、21U.D.C:620DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHOFFABRICATIONANDTHERMALCONDUCTIVITYOFSILICONCARBIDECERAMICCandidate：ZhaoGengyiSupervisor：Ass.Prof.LiYufengAcademicDegreeAppliedfor：MasterDegreeinEngineeringSpeciality：MaterialsScienceAffiliation：ShenzhenG

3、raduateSchoolDateofDefence：December,2016Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology万方数据哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要SiC陶瓷具有密度小，机械强度高，热膨胀系数小，导热率高的优异性能，除了在微电子领域，也被广泛应用在发动机、喷嘴、热交换器、天文望远镜系统中的反射镜等。这些应用均和SiC陶瓷的优良导热性能密切相关。因此高导热率作为SiC陶瓷广泛应用的基础之一，需要加大研究的力度。本课题利用液相烧结原理，采用热压

4、烧结方法制备得到碳化硅陶瓷，研究了烧结助剂种类和含量对其致密度、物相组成、微观结构、力学性能和导热率等一系列性能的影响，通过调整烧结助剂配比和含量，发现复相烧结助剂Y2O3+AlN相比单相烧结助剂能够获得更高致密度的SiC陶瓷，随着Y2O3+AlN添加量从1.0wt.%逐渐增加到11.6wt.%，陶瓷的致密度先增加后减小，当添加3wt.%Y2O3+2wt.%AlN作为烧结助剂时，获得SiC陶瓷致密度最高为99.72%，导热率最高达到73.53W/(m·K)，之后经过进一步热处理，导热率提高为102.78W/(m·K)。探讨了S

5、iC声子导热机制中，对声子散射的主要影响因素为：晶界、晶界处存在的第二相以及晶粒内固溶的杂质原子。在此基础上添加石墨烯制备了GNPs/SiC陶瓷基复合材料，研究了石墨烯在SiC基体中的分散行为和结合方式，探究石墨烯质量分数对复合材料各项性能的影响规律。实验中发现大部分石墨烯的分布方向均与加压方向垂直，随着石墨烯添加量由0逐渐增加到5wt.%时，GNPs/SiC致密度在不断下降，弯曲强度则先增大后减小，当添加1.0wt.%的石墨烯时，复合材料的力学性能最优，弯曲强度达632.75MPa，比未添加石墨烯时的SiC基体增加了12.4

6、3%。由于石墨烯的择优取向，使得GNPs/SiC复合材料的导热率在轴向压力的垂直方向和平行方向出现明显的差异。垂直方向导热率随着石墨烯添加量增多先增大后减小，添加量为3wt.%时，导热率λ⊥达到最大值84.98W/(m·K)，另一个方向导热率随石墨烯的加入不断减小。采用超声波辅助钎焊的方法，将SiC陶瓷通过Zn-Al钎料连接在一起。接头剪切强度为21.08MPa，主要断裂位置为Zn-Al与SiC结合面，接头整体导热率为49.73W/(m·K)，建立了SiC/Zn-Al/SiC接头热阻组成模型，并根据理论计算求得SiC与Zn-A

7、l钎焊界面的热阻率为r=0.13K/W。关键词：碳化硅；导热率；复合材料；石墨烯I万方数据哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractSiCceramicshavealsobeenappliedintheengine,spraynozzle,heatexchanger,reflectingmirrorexceptmicroelectronicsindustry,duetoitslowerdensity,highmechanicalstrength,lowcoefficientofthermalexpansionandhigh

8、thermalconductivity.TheseapplicationsarecloselyrelatedtotheexcellentthermalconductivityofSiCceramics.Therefore,itneedtobefurtherstudiedtha