專利名稱：陶瓷材料及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種陶瓷材料，特別涉及一種同時(shí)具有導(dǎo)熱及隔熱性能的陶瓷材料。
背景技術(shù)：
人類生活與生產(chǎn)中所使用的產(chǎn)品是由鐵、銅、鋁等金屬材料，環(huán)氧、橡膠等有機(jī)材料以及陶瓷器、耐火材料等無機(jī)非金屬材料三大材料制成。陶瓷材料被定義為經(jīng)高溫?zé)崽幚砉に囁铣傻臒o機(jī)非金屬材料。
陶瓷材料絕大部分是由元素周期表中電負(fù)性小的元素與電負(fù)性大的元素所形成的化合物構(gòu)成，該材料大部分以離子鍵，一部分以共價(jià)鍵、金屬鍵為主體。由于元素間組合形式多，陶瓷材料具有多種材料的功能，應(yīng)用范圍很廣泛。從汽車工業(yè)到太空科技均需用到陶瓷材料，例如太空科技上的隔熱磚，需要具有優(yōu)異絕熱性能的陶瓷材料，而日常生活中的鍋碗則需要導(dǎo)熱快速的陶瓷材料，使食物加熱迅速，以節(jié)省能源。
2002年3月20日公告的，專利號(hào)為98110939.X的中國專利公開了一種具有高導(dǎo)熱性能的氮化鋁陶瓷材料，其通過向普通氮化鋁材料中加入工業(yè)級(jí)添加劑，如炔化鈣與氧化釔的混合物，在適當(dāng)工藝條件下制備高導(dǎo)熱氮化鋁陶瓷，其熱導(dǎo)率最高可達(dá)230Wm-1K-1。
2004年2月12日公開的，公開號(hào)為20040029706A1的美國專利申請(qǐng)公開了一種具有絕熱性能的陶瓷材料，其通過向陶瓷基體中加入納米碳材來加強(qiáng)陶瓷材料的絕熱性能，該納米碳材包括單壁碳納米管、多壁碳納米管、碳纖維、富勒烯分子等。制造該陶瓷材料的方法為準(zhǔn)備一陶瓷漿料，其中包括陶瓷材料粒子與溶液；將納米碳材分散于該陶瓷漿料中；將上述含納米碳材的陶瓷漿料加入一預(yù)設(shè)模具中進(jìn)行成型，從而制作出預(yù)定形狀的陶瓷材料。該技術(shù)通過向陶瓷基體中加入納米碳材使陶瓷基體中對(duì)傳熱其主要作用的聲子(固體中傳遞熱量的粒子)分散開，降低陶瓷材料的熱傳導(dǎo)性能。
碳納米管具有定向熱傳導(dǎo)性能，即碳納米管軸向的熱傳導(dǎo)系數(shù)在183k時(shí)可達(dá)6000w/m2，而徑向的熱傳導(dǎo)系數(shù)卻幾乎為零。但是，該美國專利申請(qǐng)公開的技術(shù)中未能有效利用碳納米管這一優(yōu)異性能。因此，利用納米碳材改善陶瓷材料熱傳性能這一技術(shù)仍有改進(jìn)的空間。

發(fā)明內(nèi)容以下將以實(shí)施例說明一種陶瓷材料及其制造方法。
為實(shí)現(xiàn)上述內(nèi)容，提供一種陶瓷材料，其包括一陶瓷基體和分布于該陶瓷基體中的碳納米管，該碳納米管為一陣列結(jié)構(gòu)，在該陶瓷基體中沿同一方向平行排列。
該陶瓷基體基本包括陶瓷粉體和聯(lián)結(jié)劑。
該陶瓷材料在碳納米管軸向上具有高導(dǎo)熱性能，同時(shí)，在碳納米管徑向上具有高絕熱性能。
以及，提供一種陶瓷材料的制造方法，其包括以下步驟提供一碳納米管陣列；向碳納米管之間填充陶瓷基體；對(duì)填充有陶瓷基體的碳納米管陣列進(jìn)行熱壓處理，形成陶瓷材料。
上述熱壓處理過程的溫度為500～700℃，壓力為104～106kg/m2，且熱壓處理時(shí)間基本為一小時(shí)至四小時(shí)。
上述陶瓷材料的制造方法還進(jìn)一步包括對(duì)熱壓處理后的陶瓷材料進(jìn)行熱壓燒結(jié)處理，其處理溫度為800～1800℃，壓力為104～106kg/m2，且熱壓燒結(jié)處理時(shí)間基本為一小時(shí)至數(shù)十小時(shí)。
本技術(shù)方案的陶瓷材料中分布有相互平行的碳納米管，由于碳納米管具有單向?qū)嵝阅埽乖撎沾刹牧显谔技{米管軸向上形成很多導(dǎo)熱通道，具有優(yōu)異導(dǎo)熱性能；同時(shí)納米碳管徑向上該陶瓷材料具有優(yōu)異的絕熱性能。因此，該陶瓷材料同時(shí)具有導(dǎo)熱性能與隔熱性能，為一多功能陶瓷材料。

圖1是本發(fā)明實(shí)施例設(shè)置兩基底并在其中一基底上形成催化劑層的示意圖。
圖2是本發(fā)明實(shí)施例所制備的碳納米管陣列示意圖。
圖3是本發(fā)明實(shí)施例填充陶瓷基體示意圖。
圖4是本發(fā)明實(shí)施例所制備的陶瓷單元示意圖。
圖5是本發(fā)明實(shí)施例多個(gè)陶瓷單元沿導(dǎo)熱方向堆疊示意圖。
圖6是本發(fā)明實(shí)施例所形成的陶瓷塊材示意圖。
具體實(shí)施方式下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)上述陶瓷材料及其制造方法作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
本實(shí)施例制造陶瓷材料的方法，分以下步驟進(jìn)行提供一碳納米管陣列；向碳納米管之間填充陶瓷基體；對(duì)填充有陶瓷基體的碳納米管陣列進(jìn)行熱壓處理，形成陶瓷材料。
以下將對(duì)上述制造方法進(jìn)行具體描述。
首先，提供一碳納米管陣列。
如圖1所示，提供平行放置的基底11與基底12，該基底12位于該基底11的上方，兩基底用載具(圖未示)固定為上下層，且其之間距離可任意調(diào)整。在基底11上均勻沉積一催化劑層13，其材料可為鐵、鈷、鎳及其合金等，其沉積方法可利用熱沉積、電子束沉積或?yàn)R射法完成?；?2上開設(shè)有多個(gè)注入孔14。兩基底的材料可用玻璃、石英、硅或氧化鋁等，本實(shí)施例中兩基底均為硅片。
氧化處理基底11上的催化劑層13，使其形成催化劑顆粒(圖未示)，將載有基底11與基底12的載具放于反應(yīng)爐中(圖未示)，在700～1000℃下，通入碳源氣，生長出碳納米管陣列15，如圖2所示，其中碳源氣可為乙炔、乙烯等氣體，控制反應(yīng)時(shí)間使碳納米管由基底11的催化劑層13處生長至接觸基底12，降溫后取出載具。有關(guān)碳納米管陣列15的生長方法已較為成熟，具體可參閱文獻(xiàn)Science，1999，283，512-414及文獻(xiàn)J.Am.Chem.Soc，2001，123，11502-11503，此外，美國專利第6,350,488號(hào)也公開一種大面積生長碳納米管陣列的方法。
由于基底11與基底12之間距離可任意調(diào)整，因此，可根據(jù)需要調(diào)整其兩者之間距離，控制反應(yīng)條件生長預(yù)定高度的碳納米管陣列15。
其次，向碳納米管陣列15中填充陶瓷基體16。
如圖3所示，從基底12的多個(gè)注入孔14向兩基底之間添入陶瓷基體16，即陶瓷粉體與聯(lián)結(jié)劑的混合物，該陶瓷粉體包括SiC、ZnO、ZrO2等。該填充方式不限于此，如可將基底11與基底12浸入陶瓷粉體與聯(lián)結(jié)劑的混合物中，或直接將碳納米管陣列15與陶瓷粉體及聯(lián)結(jié)劑混合，只要使陶瓷粉體與聯(lián)結(jié)劑的混合物均勻分散到碳納米管之間便可。
再次，進(jìn)行熱壓處理，形成陶瓷單元20。
該熱壓處理一般在熱壓機(jī)中進(jìn)行，其目的是使陶瓷基體16與碳納米管陣列15初步固結(jié)形成陶瓷單元20。
待基底11與基底12的空間已被陶瓷基體16填滿后，將載有基底11與基底12的載具放入熱壓機(jī)內(nèi)，將溫度控制在500～700℃范圍內(nèi)，壓力控制在104～106kg/m2范圍內(nèi)進(jìn)行熱壓處理，其溫度最好為600℃左右、壓力約5×105kg/m2，沿碳納米管軸向或徑向熱壓處理陶瓷粉體與碳納米管陣列15約一小時(shí)。移除基底11與基底12，得一陶瓷單元20，如圖4所示。該陶瓷單元20在水平方向上具有優(yōu)異的絕熱性能，在垂直方向上具有絕好的導(dǎo)熱性能。
最后，形成陶瓷塊材30。
上述制得的陶瓷單元20厚度較小，實(shí)際生活或生產(chǎn)所需的陶瓷產(chǎn)品，如絕熱的耐火磚或高導(dǎo)熱的陶瓷材料，需將多個(gè)陶瓷單元20在一定條件下結(jié)合而成，如圖5所示。具體結(jié)合時(shí)要將各陶瓷單元20沿導(dǎo)熱方向或絕熱方向堆積起來，其每一陶瓷單元20的導(dǎo)熱方向或絕熱方向均一致；控制溫度為800～1800℃，最好為1000℃以上，壓力為104～106kg/m2，熱壓燒結(jié)一小時(shí)甚至數(shù)十小時(shí)，制成陶瓷塊材30，如圖6所示，具體使時(shí)間根據(jù)要制造的陶瓷材料選定。
如圖6所示，本實(shí)施例制造的陶瓷材料為一陶瓷塊材30，其包括一陶瓷基體16，即陶瓷粉體與聯(lián)結(jié)劑的混合物，該陶瓷粉體包括SiC、ZnO、ZrO2等；很多碳納米管陣列15分布在該陶瓷基體16中。
該陶瓷塊材30，碳納米管陣列15經(jīng)陶瓷粉體與聯(lián)結(jié)劑的混合物固結(jié)形成一體，碳納米管陣列15在陶瓷材料中垂直、均勻分布，形成很多導(dǎo)熱通道，所形成的陶瓷塊材30在垂直方向上，即碳納米管的軸向上具有高導(dǎo)熱性能，且導(dǎo)熱均勻；同時(shí)，在水平方向上，即碳納米管的徑向上又具有高絕熱特性。因此，該陶瓷材料同時(shí)具有導(dǎo)熱與隔熱性能，為一多功能陶瓷材料。
本實(shí)施例僅以制造陶瓷塊材為例，說明該具有多樣熱傳性能陶瓷材料的制造過程。對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)或生活中所需要的不同形狀、結(jié)構(gòu)的陶瓷產(chǎn)品，可以將基底11與基底12換成預(yù)設(shè)的模具，便可得到所需形狀、結(jié)構(gòu)的陶瓷產(chǎn)品。
本技術(shù)方案的陶瓷材料中分布有相互平行的碳納米管，由于碳納米管具有單向?qū)嵝阅?，使該陶瓷材料在碳納米管軸向上形成很多導(dǎo)熱通道，具有優(yōu)異導(dǎo)熱性能；同時(shí)納米碳管徑向上該陶瓷材料具有優(yōu)異的絕熱性能。因此，該陶瓷材料同時(shí)具有導(dǎo)熱性能與隔熱性能，為一多功能陶瓷材料。
權(quán)利要求
1.一種陶瓷材料，該陶瓷材料包括一陶瓷基體和分布于該陶瓷基體中的碳納米管；其特征在于，該碳納米管為一陣列結(jié)構(gòu)，在該陶瓷基體中沿同一方向平行排列。
2.如權(quán)利要求1所述的陶瓷材料，其特征在于，該陶瓷基體包括陶瓷粉體與聯(lián)結(jié)劑。
3.如權(quán)利要求1所述的陶瓷材料，其特征在于，該陶瓷材料在碳納米管軸向上具有高導(dǎo)熱性能，同時(shí)，在碳納米管徑向上具有高絕熱性能。
4.一種陶瓷材料的制造方法，其包括以下步驟提供一碳納米管陣列；向該碳納米管之間填充陶瓷基體；對(duì)填充有陶瓷基體的碳納米管陣列進(jìn)行熱壓處理，形成陶瓷材料。
5.如權(quán)利要求4所述的陶瓷材料的制造方法，其特征在于，該陶瓷基本包括陶瓷粉體與聯(lián)結(jié)劑。
6.如權(quán)利要求4所述的陶瓷材料的制造方法，其特征在于，該熱壓處理沿碳納米管軸向進(jìn)行。
7.如權(quán)利要求4所述的陶瓷材料的制造方法，其特征在于，該熱壓處理沿碳納米管徑向進(jìn)行。
8.如權(quán)利要求4所述的陶瓷材料的制造方法，其特征在于，該熱壓處理的溫度為500～700℃。
9.如權(quán)利要求4所述的陶瓷材料的制造方法，其特征在于，該熱壓處理的壓力為104～106kg/m2。
10.如權(quán)利要求4所述的陶瓷材料的制造方法，其特征在于，該熱壓處理的時(shí)間為一小時(shí)至四小時(shí)。
11.如權(quán)利要求4所述的陶瓷材料的制造方法，其進(jìn)一步包括步驟取多個(gè)熱壓處理形成的陶瓷材料，沿碳納米管軸向堆疊起來；對(duì)其進(jìn)行熱壓燒結(jié)處理。
12.如權(quán)利要求4所述的陶瓷材料的制造方法，其進(jìn)一步包括步驟取多個(gè)熱壓處理形成的陶瓷材料，沿碳納米管徑向堆疊起來；對(duì)其進(jìn)行熱壓燒結(jié)處理。
13.如權(quán)利要求11或12所述的陶瓷材料的制造方法，其特征在于，該熱壓燒結(jié)處理溫度為800～1800℃。
14.如權(quán)利要求11或12所述的陶瓷材料的制造方法，其特征在于，該熱壓燒結(jié)處理的壓力為104～106kg/m2。
15.如權(quán)利要求11或12所述的陶瓷材料的制造方法，其特征在于，該熱壓燒結(jié)處理時(shí)間為一小時(shí)至數(shù)十小時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種陶瓷材料，陶瓷材料包括一陶瓷基體和分布于該陶瓷基體中的碳納米管陣列。本發(fā)明還涉及一種陶瓷材料的制造方法，其包括以下步驟提供一碳納米管陣列；向碳納米管之間填充陶瓷基體；對(duì)填充有陶瓷基體的碳納米管陣列進(jìn)行熱壓處理，形成陶瓷材料。本技術(shù)方案的陶瓷材料中分布有相互平行的碳納米管，由于碳納米管具有單向?qū)嵝阅?，使該陶瓷材料在碳納米管軸向上形成很多導(dǎo)熱通道，具有較好的導(dǎo)熱性能；同時(shí)在碳納米管徑向上具有較好的絕熱性能。因此，該陶瓷材料同時(shí)具有導(dǎo)熱和隔熱性能，為一多功能陶瓷材料。
文檔編號(hào)C04B35/645GK1837133SQ200510033859
公開日2006年9月27日 申請(qǐng)日期2005年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月25日
發(fā)明者蕭博元 申請(qǐng)人:鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司, 鴻海精密工業(yè)股份有限公司