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高温高压法合成金刚石/碳化硅复合材料及优化导热性能研究

高温高压法合成金刚石/碳化硅复合材料及优化导热性能研究

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作者：刘正帅吉林大学

学位级别：硕士

金刚石/碳化硅复合材料(Diamond/silicon carbide composites)具有高导热率、高硬度、高模量、耐高温、高温抗氧化性、抗热震性等优异特性,广泛应用于航空航天、新型节能汽车、磨料磨具、核聚变等领域,已经成为最理想的耐高温、高导热... 详细信息

金刚石/碳化硅复合材料(Diamond/silicon carbide composites)具有高导热率、高硬度、高模量、耐高温、高温抗氧化性、抗热震性等优异特性,广泛应用于航空航天、新型节能汽车、磨料磨具、核聚变等领域,已经成为最理想的耐高温、高导热、高硬度功能材料候选体系之一。目前,采用如下方法合成金刚石/碳化硅复合材料:高温高压法、激光选区烧结法、真空气相烧结法、真空液相熔渗法、火花等离子烧结等。金刚石具有极高的导热率,作为复合材料的功能增强相将显著提升导热性能。复合材料中大粒径金刚石将为声子在内部传输时提供长程有序的晶格结构,开辟内部导热通道,提升复合材料整体的导热性能;高温高压环境下合成的功能材料致密度极高,大幅度降低因气孔带来的热阻。本论文采用高温高压方法合成大粒径高占比金刚石/碳化硅复合材料,系统探究金刚石表面处理、金刚石粒径、碳化硅添加量和硅单质含量对复合材料成型和导热性能的影响。(1)在相同金刚石质量比的情况下,我们发现金刚石粒径越大,复合材料整体导热性能越好,这种情况在5 GPa、8 GPa合成条件下均适用。双粒度(大粒径搭配小粒径)金刚石有增强复合材料结合性、提高材料热导率的作用。从材料结合强度及热导率方面考虑大尺寸金刚石最佳占比为86 wt%～90 wt%。(2)纳米级碳化硅因比表面积大、高压下熔点降低,且能充分填充空隙包裹住金刚石颗粒。因此,以纳米级碳化硅作为原料既提升复合材料结合强度也可以提高整体导热率。(3)8 GPa下采用1μm的金刚石占比为91 wt%的样品热导率也可达到533W/m K,说明高压条件对细粒径金刚石/碳化硅样品成型、高导热方面有着显著的提升作用。(4)8 GPa、1500℃、保温时长30 min所制备的金刚石/碳化硅复合材料热导率最高为822 W/m·K,较5 GPa合成工艺样品热导率提高4.9倍。最佳组分为:金刚石(300～250μm):90 wt%、金刚石(66～55μm):3.8 wt%、Si C(1μm):Si(5μm)=7:3。本实验进行高温高压下选取大粒径高占比金刚石制备金刚石/碳化硅复合材料的研究,为后续实验提供技术路线以及指导借鉴作用。

关键词：高温高压法大粒径金刚石金刚石/碳化硅复合材料热导率

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