【原创】碳/陶导电材料详析


来源:中国粉体网   山川

[导读]  碳材料兼有金属、陶瓷和有机高分子三种主要固体材料的特性,而它又具有别的材料无法取代的特性,比如减震率大、生物相容性优异和自润滑性等,被认为是人类必需的第四类原材料。

碳材料的特殊性


碳和金属一样具有导电性、导热性;和陶瓷一样耐热、耐腐蚀;和有机高分子一样质量轻,分子结构多样。事实上,没有任何元素能像碳一样可形成如此多的结构与性质完全不同的物质。由此说明,碳材料兼有金属、陶瓷和有机高分子三种主要固体材料的特性,而它又具有别的材料无法取代的特性,比如减震率大、生物相容性优异和自润滑性等,被认为是人类必需的第四类原材料。


总结来说,碳素材料比重小,导电、导热,具有优良的耐热性、耐热冲击性、耐腐烛性及润滑性,因而广泛用于电器、机械、化学及冶金等工业部门。


但是它有密度低、机械强度及耐氧化性差等缺点,因此其用途受到一定的限制。


碳与陶瓷的巧妙结合



(图片来源:山东博奥新材料技术有限公司)


在电性能方面,陶瓷材料中,除ZrO2等在高温条件下具有导电功能外,其它陶瓷如Al2O3、MgO、SiO2、CaO等都是绝缘体,这些材料的应用受到限制。若能通过某种工艺,使得这些材料能够导电,外加陶瓷材料本身的优异特性,那么陶瓷材料的应用范围将会进一步扩大。碳/陶复合导电材料就是在这种背景下开发出的一种新型无机非金属材料。


陶瓷基料


碳/陶复合导电材料由陶瓷基料和导电填料组成,陶瓷基料主要包括铝硅酸盐料、氧化物、硅化物、碳化物、氮化物或硼化物等,以及透辉石、石英长石等矿物。


1、透辉石


透辉石的主要成分是偏硅酸钙镁,化学式为CaMg(SiO32,属于链状结构硅酸盐矿物。透辉石在普通陶瓷中既可作为助熔剂使用,也可作为主要原料。由于透辉石不含有机物和结构水,膨胀系数不大,其收缩率和热效应也较小,故透辉石坯料可制成低温烧成的陶瓷坯体,也适合于快速烧成,尤其在釉面砖生产中应用广泛。


2、石英


石英是由二氧化硅(SiO2)组成的矿物,在自然界中分布广泛,其化学性能稳定,除氢氟酸(HF)外,一般不与其它的酸发生反应。而且石英属于酸性氧化物,当它与碱性物质接触时,会反应生成可溶性的硅酸盐(强碱弱酸盐)。此外,SiO2在高温条件下还能与碱性氧化物发生反应,产物为硅酸盐和玻璃态物质。


石英在陶瓷生产中的作用主要有:


(1)在陶瓷烧成过程中,坯体发生收缩现象,严重时可产生裂纹。当在坯体内部加入石英后,石英受热膨胀,在一定程度上可抵消坯体收缩的影响。


(2)一定粒径的石英颗粒对瓷器的坯体也有较大影响,在一定程度上可以提高坯体的强度,而且掺入的石英也会增加瓷器的透光度,相应的白度也有较大改善。


(3)SiO2是釉料中玻璃相生长的主要原因。当釉料中SiO2含量较大时,釉的熔融温度和粘度都有相应提高,而釉的线膨胀系数则会相应减小。而且釉具有较高的强度、硬度以及耐化学腐蚀等优异特性,都是SiO2所赋予的。


3、长石


长石是陶瓷原料中常用的助熔剂原料。陶瓷生产过程中所用到的坯料、釉料等材料的基本组分也是长石,其在陶瓷生产过程中用量较大,是陶瓷的三大原料之一。由于长石具有优异的熔融和熔化其它物质的性质,在陶瓷原料中通常将长石作为助熔剂使用。长石在陶瓷生产中的作用主要有:


(1)高温条件下,长石呈现的是粘稠状的玻璃熔体,是坯料中碱金属氧化物(如K2O、Na2O)的主要来源,在陶瓷烧成过程中,长石能够显著降低坯体成分的熔化温度,同时烧成温度也有所降低,而且有利于成瓷过程。


(2)陶瓷烧成过程中熔融的长石能够溶解部分高岭土的分解产物和石英颗粒。


(3)熔化的长石熔体能够填充在各个结晶颗粒之间,一定程度上可以减小坯体内部的空隙,使得坯体更加致密。


(4)长石作为瘠性原料,在陶瓷中可减少坯体在干燥和烧成时的收缩,起骨架作用。


碳系导电填料



1、碳黑


碳黑是一种天然的半导体,其体积电阻率为10-3~10Ω·m。碳黑资源丰富、价格低廉,导电性能持久稳定,可大幅度改善材料的导电性能。因此,碳黑是目前用途最广、用量最大的一种填料。


2、石墨


除碳黑外,石墨也是常用导电填料之一,但其导电性能不如碳黑优良,而且加入量较大,对复合材料的成型工艺影响较大,但能提高材料的防腐蚀能力。石墨填料在自然界中分布广泛,而且价格低廉,很早就已经作为导电填料应用于复合材料中。但是石墨本身存在导电性能不稳定的缺点,所以在导电材料中应用较少。


近些年来石墨填充型导电材料的研究和开发有了新的方向,研究学者将纳米石墨与基体直接复合制备了导电材料,这归功于纳米材料的发展。目前,有研究人员将膨胀石墨置于聚合物中进行直接分散,制备出了纳米石墨/聚合物基复合导电塑料。


3、碳纤维


碳纤维是一种含碳量在95%以上、具有高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成,经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料,其密度较小、力学性能较好,而且导电性能持久。此外,碳纤维的热导率随着温度的升高而增大,所以碳纤维的电磁屏蔽性能优异。


4、碳纳米管


由于碳纳米管具有良好的导电性和较大的长径比,因此很适合作为导电填料。与其它导电填料相比,碳纳米管具有用量少、导电性能好、密度小、不聚沉等特性。把碳纳米管作为导电相和加强相加入到聚合物中可以显著改善材料的导电性能和力学性能。然而,碳纳米管很容易团聚,在聚合物中难以分散,基于上述缺点,需要对碳纳米管进行化学修饰,在其端头部位带上羧基,从而使碳纳米管表面活化,改善和提高碳纳米管的分散性。


5、碳系填料的混合应用


若单独将某一种碳系材料作为导电填料制备碳/陶复合导电材料,碳系材料的添加量较大,对材料加工和性能会产生较大不利影响。为改善这个缺陷,可将各种碳系填料混合加入,尽量降低物理机械性能的损失。


总结


正因为碳/陶复合导电材料具有以上优点,它才能在工业加热、学校烘干系统、家庭取暖等领域得到广泛的应用。目前,碳/陶复合导电材料应由单一的导电功能向多功能方向发展,应由纯粹的降低导电材料的成本和单纯的关注材料的导电性能为目的向拓展导电材料的用途和功能的多样性方向发展。


参考来源:

[1]魏炜.炭陶复合材料制备及其电热性与抗氧化性研究

[2]高笑等.碳/陶复合导电材料的研究进展


(中国粉体网编辑整理/山川)

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作者:山川

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