CN100436367C - 陶瓷材料及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种陶瓷材料，陶瓷材料包括一陶瓷基体和分布于该陶瓷基体中的碳纳米管阵列。本发明还涉及一种陶瓷材料的制造方法，其包括以下步骤：提供一碳纳米管阵列；向碳纳米管之间填充陶瓷基体；对填充有陶瓷基体的碳纳米管阵列进行热压处理，形成陶瓷材料。本技术方案的陶瓷材料中分布有相互平行的碳纳米管，由于碳纳米管具有单向导热性能，使该陶瓷材料在碳纳米管轴向上形成很多导热通道，具有较好的导热性能；同时在碳纳米管径向上具有较好的绝热性能。因此，该陶瓷材料同时具有导热和隔热性能，为一多功能陶瓷材料。

Description

陶瓷材料及其制造方法
【技术领域】
本发明涉及一种陶瓷材料，特别涉及一种同时具有导热及隔热性能的陶瓷材料。
【背景技术】
人类生活与生产中所使用的产品是由铁、铜、铝等金属材料，环氧、橡胶等有机材料以及陶瓷器、耐火材料等无机非金属材料三大材料制成。陶瓷材料被定义为：经高温热处理工艺所合成的无机非金属材料。
陶瓷材料绝大部分是由元素周期表中电负性小的元素与电负性大的元素所形成的化合物构成，该材料大部分以离子键，一部分以共价键、金属键为主体。由于元素间组合形式多，陶瓷材料具有多种材料的功能，应用范围很广泛。从汽车工业到太空科技均需用到陶瓷材料，例如太空科技上的隔热砖，需要具有优异绝热性能的陶瓷材料，而日常生活中的锅碗则需要导热快速的陶瓷材料，使食物加热迅速，以节省能源。
2002年3月20日公告的，专利号为98110939.X的中国专利公开了一种具有高导热性能的氮化铝陶瓷材料，其通过向普通氮化铝材料中加入工业级添加剂，如炔化钙与氧化钇的混合物，在适当工艺条件下制备高导热氮化铝陶瓷，其热导率最高可达230W m-1K-1。
2004年2月12日公开的，公开号为20040029706A1的美国专利申请公开了一种具有绝热性能的陶瓷材料，其通过向陶瓷基体中加入纳米碳材来加强陶瓷材料的绝热性能，该纳米碳材包括：单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、碳纤维、富勒烯分子等。制造该陶瓷材料的方法为：准备一陶瓷浆料，其中包括陶瓷材料粒子与溶液；将纳米碳材分散于该陶瓷浆料中；将上述含纳米碳材的陶瓷浆料加入一预设模具中进行成型，从而制作出预定形状的陶瓷材料。该技术通过向陶瓷基体中加入纳米碳材使陶瓷基体中对传热其主要作用的声子(固体中传递热量的粒子)分散开，降低陶瓷材料的热传导性能。
碳纳米管具有定向热传导性能，即碳纳米管轴向的热传导系数在183k时可达6000w/m2，而径向的热传导系数却几乎为零。但是，该美国专利申请公开的技术中未能有效利用碳纳米管这一优异性能。因此，利用纳米碳材改善陶瓷材料热传性能这一技术仍有改进的空间。
【发明内容】
以下将以实施例说明一种陶瓷材料及其制造方法。
为实现上述内容，提供一种陶瓷材料，其包括一陶瓷基体和分布于该陶瓷基体中的碳纳米管，该碳纳米管为一阵列结构，在该陶瓷基体中沿同一方向平行排列。
该陶瓷基体基本包括陶瓷粉体和联结剂。
该陶瓷材料在碳纳米管轴向上具有高导热性能，同时，在碳纳米管径向上具有高绝热性能。
以及，提供一种陶瓷材料的制造方法，其包括以下步骤：
提供一碳纳米管阵列；
向碳纳米管之间填充陶瓷基体；
对填充有陶瓷基体的碳纳米管阵列进行热压处理，形成陶瓷材料。
上述热压处理过程的温度为500～700℃，压力为104～106kg/m2，且热压处理时间基本为一小时至四小时。
上述热压处理过程沿碳纳米管轴向或沿碳纳米管径向进行。
上述陶瓷材料的制造方法还进一步包括对热压处理后的陶瓷材料进行热压烧结处理，其处理温度为800～1800℃，压力为104～106kg/m2，且热压烧结处理时间基本为一小时至数十小时。
上述热压烧结处理过程取多个热压处理形成的陶瓷材料，沿碳纳米管轴向或沿碳纳米管径向堆叠起来对其进行热压烧结。
本技术方案的陶瓷材料中分布有相互平行的碳纳米管，由于碳纳米管具有单向导热性能，使该陶瓷材料在碳纳米管轴向上形成很多导热通道，具有优异导热性能；同时纳米碳管径向上该陶瓷材料具有优异的绝热性能。因此，该陶瓷材料同时具有导热性能与隔热性能，为一多功能陶瓷材料。
【附图说明】
图1是本发明实施例设置两基底并在其中一基底上形成催化剂层的示意图。
图2是本发明实施例所制备的碳纳米管阵列示意图。
图3是本发明实施例填充陶瓷基体示意图。
图4是本发明实施例所制备的陶瓷单元示意图。
图5是本发明实施例多个陶瓷单元沿导热方向堆叠示意图。
图6是本发明实施例所形成的陶瓷块材示意图。
【具体实施方式】
下面将结合附图及实施例对上述陶瓷材料及其制造方法作进一步详细说明
本实施例制造陶瓷材料的方法，分以下步骤进行：提供一碳纳米管阵列；向碳纳米管之间填充陶瓷基体；对填充有陶瓷基体的碳纳米管阵列进行热压处理，形成陶瓷材料。
以下将对上述制造方法进行具体描述。
首先，提供一碳纳米管阵列。
如图1所示，提供平行放置的基底11与基底12，该基底12位于该基底11的上方，两基底用载具(图未示)固定为上下层，且其之间距离可任意调整。在基底11上均匀沉积一催化剂层13，其材料可为铁、钴、镍及其合金等，其沉积方法可利用热沉积、电子束沉积或溅射法完成。基底12上开设有多个注入孔14。两基底的材料可用玻璃、石英、硅或氧化铝等，本实施例中两基底均为硅片。
氧化处理基底11上的催化剂层13，使其形成催化剂颗粒(图未示)，将载有基底11与基底12的载具放于反应炉中(图未示)，在700～1000℃下，通入碳源气，生长出碳纳米管阵列15，如图2所示，其中碳源气可为乙炔、乙烯等气体，控制反应时间使碳纳米管由基底11的催化剂层13处生长至接触基底12，降温后取出载具。有关碳纳米管阵列15的生长方法已较为成熟，具体可参阅文献Science，1999，283，512-414及文献J.Am.Chem.Soc，2001，123，11502-11503，此外，美国专利第6,350,488号也公开一种大面积生长碳纳米管阵列的方法。
由于基底11与基底12之间距离可任意调整，因此，可根据需要调整其两者之间距离，控制反应条件生长预定高度的碳纳米管阵列15。
其次，向碳纳米管阵列15中填充陶瓷基体16。
如图3所示，从基底12的多个注入孔14向两基底之间添入陶瓷基体16，即陶瓷粉体与联结剂的混合物，该陶瓷粉体包括SiC、ZnO、ZrO2等。该填充方式不限于此，如可将基底11与基底12浸入陶瓷粉体与联结剂的混合物中，或直接将碳纳米管阵列15与陶瓷粉体及联结剂混合，只要使陶瓷粉体与联结剂的混合物均匀分散到碳纳米管之间便可。
再次，进行热压处理，形成陶瓷单元20。
该热压处理一般在热压机中进行，其目的是使陶瓷基体16与碳纳米管阵列15初步固结形成陶瓷单元20。
待基底11与基底12的空间已被陶瓷基体16填满后，将载有基底11与基底12的载具放入热压机内，将温度控制在500～700℃范围内，压力控制在10-1～106kg/m2范围内进行热压处理，其温度最好为600℃左右、压力约5×105kg/m2，沿碳纳米管轴向或径向热压处理陶瓷粉体与碳纳米管阵列15约一小时。移除基底11与基底12，得一陶瓷单元20，如图4所示。该陶瓷单元20在水平方向上具有优异的绝热性能，在垂直方向上具有绝好的导热性能。
最后，形成陶瓷块材30。
上述制得的陶瓷单元20厚度较小，实际生活或生产所需的陶瓷产品，如绝热的耐火砖或高导热的陶瓷材料，需将多个陶瓷单元20在一定条件下结合而成，如图5所示。具体结合时要将各陶瓷单元20沿导热方向或绝热方向堆积起来，其每一陶瓷单元20的导热方向或绝热方向均一致；控制温度为800～1800℃，最好为1000℃以上，压力为104～106kg/m2，热压烧结一小时甚至数十小时，制成陶瓷块材30，如图6所示，具体使时间根据要制造的陶瓷材料选定。
如图6所示，本实施例制造的陶瓷材料为一陶瓷块材30，其包括一陶瓷基体16，即陶瓷粉体与联结剂的混合物，该陶瓷粉体包括SiC、ZnO、ZrO2等；很多碳纳米管阵列15分布在该陶瓷基体16中。
该陶瓷块材30，碳纳米管阵列15经陶瓷粉体与联结剂的混合物固结形成一体，碳纳米管阵列15在陶瓷材料中垂直、均匀分布，形成很多导热通道，所形成的陶瓷块材30在垂直方向上，即碳纳米管的轴向上具有高导热性能，且导热均匀；同时，在水平方向上，即碳纳米管的径向上又具有高绝热特性。因此，该陶瓷材料同时具有导热与隔热性能，为一多功能陶瓷材料。
本实施例仅以制造陶瓷块材为例，说明该具有多样热传性能陶瓷材料的制造过程。对于实际生产或生活中所需要的不同形状、结构的陶瓷产品，可以将基底11与基底12换成预设的模具，便可得到所需形状、结构的陶瓷产品。
本技术方案的陶瓷材料中分布有相互平行的碳纳米管，由于碳纳米管具有单向导热性能，使该陶瓷材料在碳纳米管轴向上形成很多导热通道，具有优异导热性能；同时纳米碳管径向上该陶瓷材料具有优异的绝热性能。因此，该陶瓷材料同时具有导热性能与隔热性能，为一多功能陶瓷材料。

Claims (15)

1.一种陶瓷材料，该陶瓷材料包括一陶瓷基体和分布于该陶瓷基体中的碳纳米管；其特征在于，该碳纳米管为一阵列结构，在该陶瓷基体中沿同一方向平行排列。
2.如权利要求1所述的陶瓷材料，其特征在于，该陶瓷基体包括陶瓷粉体与联结剂。
3.如权利要求1所述的陶瓷材料，其特征在于，该陶瓷材料在碳纳米管轴向上具有高导热性能，同时，在碳纳米管径向上具有高绝热性能。
4.一种陶瓷材料的制造方法，其包括以下步骤：
提供一碳纳米管阵列；
向该碳纳米管之间填充陶瓷基体；
对填充有陶瓷基体的碳纳米管阵列进行热压处理，形成陶瓷材料。
5.如权利要求4所述的陶瓷材料的制造方法，其特征在于，该陶瓷基本包括陶瓷粉体与联结剂。
6.如权利要求4所述的陶瓷材料的制造方法，其特征在于，该热压处理沿碳纳米管轴向进行。
7.如权利要求4所述的陶瓷材料的制造方法，其特征在于，该热压处理沿碳纳米管径向进行。
8.如权利要求4所述的陶瓷材料的制造方法，其特征在于，该热压处理的温度为500～700℃。
9.如权利要求4所述的陶瓷材料的制造方法，其特征在于，该热压处理的压力为104～106kg/m2。
10.如权利要求4所述的陶瓷材料的制造方法，其特征在于，该热压处理的时间为一小时至四小时。
11.如权利要求4所述的陶瓷材料的制造方法，其进一步包括步骤：
取多个热压处理形成的陶瓷材料，沿碳纳米管轴向堆叠起来；
对其进行热压烧结处理。
12.如权利要求4所述的陶瓷材料的制造方法，其进一步包括步骤：
取多个热压处理形成的陶瓷材料，沿碳纳米管径向堆叠起来；
对其进行热压烧结处理。
13.如权利要求11或12所述的陶瓷材料的制造方法，其特征在于，该热压烧结处理温度为800～1800℃。
14.如权利要求11或12所述的陶瓷材料的制造方法，其特征在于，该热压烧结处理的压力为104～106kg/m2。
15.如权利要求11或12所述的陶瓷材料的制造方法，其特征在于，该热压烧结处理时间为一小时至数十小时。
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