石墨烯用於抗高溫硅質隔熱瓷片的先期研究_無機 (#40*) *規劃中

2015-6-24

我常用『當世界都用我發明的產品，就是人生最大的快樂！』這句話來勉勵自己。這兩天與群組的朋友談到抗高溫材料如何使用陶瓷的想法，他倒滿機靈地馬上想到太空梭經過大氣層用來抗高溫的硅質隔熱瓷片，是的，這種動輒要達到攝氏 1500 ℃的高端材料，也是我想突破的石墨烯應用技術之一。

這篇談到無機類應用技術的抗高溫矽質隔熱瓷片。陶瓷是金屬和非金屬元素的固體化合物，其鍵合為共價鍵或離子鍵，與金屬不同，它們不含有大量電子。一般而言，陶瓷具有比金屬更高的熔點和硬度，化學性質非常穩定，耐熱性、抗老化性皆好。通常的陶瓷是絕緣體，在高溫下也可以導電，但比金屬導電性差得多。雖然陶瓷的許多性能優於金屬，但它也存在致命的弱點，即脆性強，韌性差，很容易因存在裂紋、空隙、雜質等細微缺陷而破碎，引起不可預測的災難性後果，因而大大限制了陶瓷作為承載結構材料的應用。

通常石墨烯／陶瓷復材的研究多半用在導電及機械性能上，像西班牙Graphenea公司研究發現，於氧化鋁陶瓷加入石墨烯，可減少斷裂機率 50 %，提升導電性至1億倍。採用Si和SiC為主要原料，添加不同含量 (1 wt%和3 wt%)的石墨烯，氮氣氣氛下在 1600 ℃燒結製備 Si3N4結合 SiC複合陶瓷材料。實驗結果表明，當石墨烯含量為 1 wt%時，Si3N4 /SiC的耐壓強度為 207 MPa。當含量為 3nwt%時，力學性能增強，耐壓強度達到了 247 MPa。

但對於抗高溫這個功能較少去研究。而我認為抗高溫的機理也不過是在「阻絕溫度穿透」及「減少熱蓄積」這兩個選項里找出平衡而已。以往 β－SiC晶須複合材料已經用在太空梭機身覆蓋，利用碳化硅具有耐腐蝕、耐高溫、強度大、導熱性能良好、抗衝擊等特性作為抗高溫層，再塗布透明導熱膜在內層作為散熱層，整個熱系統為串聯，所以有可能減少熱蓄積的產生。

nn另外，碳/碳複合材料 (簡稱C/C復材)是以碳纖維強化碳基材之複合材料，其主要優點包括：1).質輕：比重約 1.6～2.0左右，較鋁合金等金屬輕；2).耐高溫：於無氧環境下，可使用至 2500 ℃以上之高溫，若於有氧環境下，表面須進行抗氧化層塗覆，則可長時間於 1600 ℃下使用；3).抗熱震性佳，具有低熱膨脹係數及高熱導之特性。其主要缺點為抗氧化性差，故對於 C/C復材研究方向上主要著重於如何提高 C/C復材本身的抗氧化能力與如何於表面塗覆抗氧化層。

以過去塗層作為抗氧化層像鋁銅合金電纜及耐腐蝕塗料就有很好的表現，更堅定透明導熱膜在抗高溫材料的發展潛力。這兩種思路我應該都會去嘗試看看。

推薦閱讀：