新型镍-氧化锆导电隔热材料研究

新型镍-氧化锆导电隔热材料

摘要

微米金属Ni粉和纳米氧化锆粉合成的亚微米复合材料，随着Ni含量的变化，可呈现不同的电学和热学性能：当Ni的重量百分数P=0—15时，该复合材料表现为绝电绝热(I)；当P=15—50时，表现为绝热、但电导可变；当P=50-80时，表现为导电绝热(III)；当 P=80-100时，表现为导电、但热导可变(IV)．III型材料具有亚微米结构，电子因具有介质击穿效应和量子隧道穿效应而能自由运动，材料能导电；而声子因严重散射和反常谐振而不能传播，材料呈现隔热特征。这也是热导渗流值明显滞后于电导渗流值的原因．III型复合材料的性能正好和绝电导热金刚石的性能相反，是一种新型材料，可望在航空航天、微电子和能源等高技术领域有着广泛的应用前景．

关键词 新型导电隔热材料，亚微米结构，电子穿透效应，声子散射匆反常谐振

l前言

两种或两种以上不同性能的材料按一定方式组合面成的复合材料具有单一材料所不能获得的综合特性。复合不仅能使几种材料的性能互为补充，而且能创造单一材料所没有的新特性，特别是功能梯度复合材料具有优良的物理，化学和力学性能，可望在航空航天、能源、电子、生物医学等高科技领域，乃至日常生活领域中都有巨大的应州前景。

功能梯度材料(FGM)就是以计算机辅助材料设计为基础，采用先进的材料复合技术．使材料的构成要素(组成和结构)沿厚度方向呈连续变化，材料的性质和功能也早梯度变化的一种新型材料。以未来航天飞机用超耐热材料为例，在承受高温的一面配置耐高温的陶瓷，在用液氢冷却的一面配置导热性好和机械强度高的金属，两侧间的金属和陶瓷的相对比例以及组织结构呈连续地梯度变化，消除传统金属陶瓷涂层中的界面，材料的力学、热学和化学等性能从材料的一侧向另一侧连续地变化，达到耐热隔热和缓和热应力的烈重目的。文献在研究烧结型不锈钢-氧化锆系FGM的渗流现象对发现：当金属相的含量较低时，金属颗粒无规则地弥散在氧化锆基体中：金属相含量增加，金属颗粒聚成较大的集团，在某个临界含量(渗流值)处，金屑颗粒相互连接成一个连续的渗流集团。在渗流值附近．FGM的宏观性能会发生非线性突变。文献研究了Ti-Ai203金属陶瓷的渗流现象后预言：金属陶瓷的物理性质，如电导率和热导率及弹性性质都在相同的渗流值w = 0．16 vol％处发生突变。本文在研究Ni-氧化锆系FGM时发现：Ni-氧化锆金属陶瓷的物理性能不但发生突变，而且不同的物理性能对应着不同的渗流值，如热导率的渗流值(60 wt%Ni)明显滞后于电导率的渗流值(15 wt％Ni)，由此产生一种新型材料一导电绝热材料。

2实验过程

2.1原料

本文采用粒径为200目的金属Ni粉和5wt％CaO稳定的氧化锆超微细粉来制备N-_Zr02复合材料，Ni粉的化学成分，Zro2粉的粒度分布曲线。

2. 2样品制备

将Ni粉和氧化锆粉按一定的配比秤量后，加入少量粘结剂(聚乙烯醇)和分散荆(酒精)，进行球磨混合48小时。所得浆料在85。C的烘箱中烘干，将过筛后的粉料午压成型(压力为3Mpa)．再经200Mpa压力的冷等静压处理后，在高温真空钼片炉中烧结，烧结温度为1100—1400℃，烧结时间一般为30分钟～1小时，真空度约为1Pa。

2．3 Ni-氧化锆金属陶瓷热导率和电导率的测定用激光法导热系数测试装置测定了不同组分的Ni一氧化锆金属陶瓷的导热特性，样品尺寸为d10．5 mm×(1．4-2．0)mm，测试温度为960℃。用超高电阻测试仪，在室温F测定了不同组分的Ni—Zr02金属陶瓷的电导率．样品尺寸为d15mm x (1．5-2．5)mm。由图可知：金属陶瓷的热导率和电导率可在很大范围内变化，它们的最人值比最小值分别约大1 2个数量级和40倍，而且热导率的渗流值(60 wt％Ni)明显滞后于电导率的渗流值(15 wt％Ni】。电导率从Ni重量百分数p=15时的，几乎是纯Zr02的电导率(2．Oxl0-10(Ω cm)-1】开始陡增，直到p=50时，几乎已经达到金属Ni的电导率【2．2×10¹(Ω·cm)-1）。而热导率从p=60时的，几乎是纯Zr02的热导率【8．1 W/(m·K)】才开始急增到纯Ni的热导率[63．0 W／(m·K)】。按照热学和电学性能来划分，Ni—Zr02复合材料可分为：I区，p=O—15，热导率和电导率都小，可认为是绝电绝热材料；II区含，p=15～50，热导率仍小，但电导率几乎从纯ZrO2的电导率陡增到纯Ni的电导率，可认为是绝热但可变电导材料；III区，p=50—80，热导率仍然很小。但电导率大，可以认为是导电绝热材料，其性能正好和绝电导热的金刚石相反；lv区，p=80一100，电导率很大，热导率几乎从纯Zr02的热导率陡增到纯Ni的热导率，可认为是导电但可变热导材料。II-lv区3种材料具有新功能，属于新材料。

3讨论

在Ni—氧化锆金属陶瓷中，出现导电绝热现象的根本原因是热导的渗流值(p=60)明显滞后于电导的渗流值(p=15)，它是和复合材料的微观结构及导热和导电机制的差别密切相关的。当p<80时，大部分金属颗粒没有明显长大，仍处在原料微粒的微米量级。在氧化锆颗粒、团、体和块的周围分布着金属Ni颗粒，Ni和氧化锆金属陶瓷在烧结时不发生界面反应和化学反应，金属Ni颗粒能阻止氧化锆颗粒的聚集和长大。同样，氧化锆颗粒也能阻止金属Ni颗粒的聚集和长大，使绝大部的金属Ni和部分的ZrO2颗粒的尺寸处于弧微米量级；

当p>80时，氧化锆颗粒的相对含量少，不足以阻止金属颗粒的聚集和长大。Yin因此．Ni(p<80)和氧化锆金属陶瓷的烧结体可认为是亚微米复合材料。

材料主要靠声子来导热，而声子是抽象化的准粒子，是一种晶格振动波，波长约在500～5000mn之间，正好和N和Zro2金属陶瓷的复合线度相当，声子在这种材料中传播时将发生反常谐振；另外，这种材料有很多晶界和界面等缺陷．声子在缺陷处将发生严重散射而不能传播。因而，p<80的Ni和ZrO2复合材料的热导率仍然很小。

材料主要靠电子来导电，当加上适当的电场时，电子能击穿电介质；而且，当两个金属Ni颗粒之问的间距与电子波长相当时，电子具有隧道穿透效应。可以认为：p<30时，金属Ni颗粒、团、体和块之间虽然还没有宜接接触，具有一定的间隙，但电子已能借助介质击穿效应，其至量子隧道穿透效应很容易地穿过间隙而使材料导电：p=50时，金属Ni颗粒、团、体和块之间相互靠近，间隙很小，自由电子穿越和运动十分容易和流畅，电导率达到最高值。

当p=30时，金属Ni颗粒、团、体和块之间相互靠拢，电子已能穿越其间的ZrO2介质、微洞和晶界而发生电的渗流：但是，金属Ni颗粒团体和块之间还没有完好接触，绝人部分的金属M颗粒和部分Zro2颗粒还没有聚集长大，仍处于亚微米量级，声子闪发生反常谐振和严重散射而使材料不能导热；只有当p=60时，金属Ni颗粒，团、体和块之问接触完好，且已有相当程度的聚集和长大，形成金属Ni的通道(Ni的无限大集团)，声子在其中能够传播，而且随着含Ni量的增加变得越来越容易，即发生热的渗流。

系统研究Ni—Zr02金属陶瓷的热导率和导电特性是进行功能梯度材料设计的基础。即使p=60时，复合材料的有效热导率还是很低，只有8．1W／（m·K)，能达到绝热隔热的目的。这样，在FGM的高温一侧可用含有少量金属的Zro2来绝热隔热，避免成形、烧结开裂和加工性能不良等难题：另外，热导率的突变将影响FGM的成分、结构和性能设计．

4结论

（l】 Ni—Zr02亚微米复合材料的热导率渗流值（p=60）滞后于电导率渗流值(p=15），其原因是：在亚微米结构的金属陶瓷中，因电子的介质击穿效应和量子隧道穿透效应而导电，因声子的小晶粒反常谐振和晶界等缺陷处的严重散射而绝热。

【2】 Ni·Zr02亚微米复合材料按热学和电学性能可分为四类：当p=O～15时，为绝电绝热材料（I区)；p=15～50时，为绝热但可变电导材料（II区）；p=50-80时，为导电绝热材料（III区)；p=80～100时，为导电但可变热导材料(Iv区)。其中III区的导电绝热材料是一种新型的材料，它的性能正好和金刚石的性能相反，可望广泛应用于航空航天、微电子和能源等高技术领域。

【3】 研究导电绝热材料的微观结构和机制具有重大的理论意义和实用价值，是未来功能梯度材料成分、结构和性能设计的基础，可能会改变和修改有关精细复合材料热学和电学的某些观点和看法。

更多相关阅读

九朋新材料纳米超细系列畅销全球超细氧化物及分散液：氧化铝、氧化钛、氧化锌、氧化锆、氧化硅、稀土氧化物、抗静电剂等

纳米防腐涂料：耐强酸强碱、耐高温、耐油、耐候、盐水，适合化工设备、海洋设备、电镀、烟囱，具有使用寿命长、使用成本低，用于旧防腐设备延寿，新防腐设备定制，上门涂装服务。     联系：搜jiupengap九朋新材料