资源描述：
《新材料概论期末论文---李亚锦--200903050335》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。
1、碳化硅陶瓷的认识李亚锦摘要碳化硅(Sic)是碳硅元素以共价健结合形成的具有金刚石结构的一种晶体物质,硬度高、耐高温、耐腐蚀、热导率高、宽带隙以及电子迁移率高,广泛应用于磨料、冶金和高温承载件。本文重点介绍碳化硅在陶瓷行业的制备及应用。关键词 碳化硅陶瓷；制备方法；性能；用途一、概述自从美国人阿奇逊在1891年偶然发现Sic材料以来,Sic已成为人们广为利用的非氧化物陶瓷材料。碳(Sic,SiliconCarbide)材料有许多优异的性能,如硬度高、耐磨削、耐高温、耐氧化、耐腐蚀、高热导率高化学稳定性、宽带隙以及高电子迁移
2、率等,被作为磨料、耐火材料、电热元件、黑色有色金属冶炼等应用的原料,其中磨料、冶金和高温承载件是目前碳化硅的主要应用领域,现在又被应用于机械工程中的结构件和化学工程中的密封件等,并且在腐蚀、磨蚀和高温以及航天等极端条件下具有非常优越的性能。目前,世界Sic总产量约150万吨/年,中国产量最大,11约占30%左右。中国Sic生产企业主要集中在宁夏、青海、四川、甘肃、山东等地。二、碳化硅的晶体结构Sic是以共价健为主的共价化合物,由于碳与硅两元素在形成Sic晶体时,Sic原子中S→P电子的迁移导致能量稳定的SP3杂化排列,从
3、而形成具有金刚石结构的Sic,因此它的基本单元是四面体,所有Sic均由Sic四面体堆积而成,所不同的只是平行结合或反平行结合。Sic有75种变体,如A-Sic、B-Sic、3C-Sic、4H-Sic、15R-Sic等,所有这些结构可分为立方晶系、六方晶系和菱形晶系,其中A-Sic、B-Sic最为常见,A-Sic是高温稳定型,Basic是低温稳定型。B-Sic在2100～2400℃可转变为A-Sic,B-Sic可在1450℃左右温度下由简单的硅和碳混合物制得。利用透射电子显微镜和X-射线衍射技术可对Sic显微体进行多型体分
4、析和定量测定。三、碳化硅的性能Sic以其高硬度、高磨削能力、耐高温(1500℃以上)、耐氧化、高耐蚀而引人注目;高的热传导率和低热膨胀率赋予了这种材料非常好的抗热震稳定性。11由于各种不同产品的显微结构粒度、气孔率和化学组成不同,因此其性能亦有所不同。R-Sic比K-Sic材料坚固得多,然而其高残余气孔率使其机械强度受到限制;反应烧结Si-Sic也比较坚实,但仅限于1400℃以下。由于其价格高,HP-Sic材料仅用于必须要求高强度的场合。由于助烧结剂含量低或不含助烧结剂,因而在抗蠕变方面,S、HP、HIP等材料较之所有的
5、其它陶瓷材料具有明显的优点。Sic的突出特点之一是耐化学腐蚀性,这是由于Si对氧具有高的亲合力之故。硅与氧在含水介质中反应引起钝性,如果使之经受热氧化生成氧化硅玻璃膜,可以防止进一步氧化,外层的物料迁移只通过非离子氧化而进行,同时也会为挥发的氧化副产物和CO的反扩散所阻止。即使在1500℃下,纯Sic的抗氧化能力也比当今最好的超级合金在其最高使用温度1200℃下的抗氧化能力高一倍。四、碳化硅原料的制备4.1碳化硅粉料的制备Sic是在陨石中发现的,在自然界中几乎不存在,因此,工业上应用的Sic粉末都是热工合成的。碳化硅工业
6、生产的主要方法是用石英砂(SiO2)加焦炭(C)直接通电还原(在电阻炉中),温度通常为1900℃以上,此时所发生的化学反应为:11SiO2+3C=Sic+2CO在工业生产中,用于合成Sic的石英砂和焦炭通常含有Al和Fe等金属杂质。其中杂质含量少的呈绿色,被称为绿色碳化硅;杂质含量多的呈黑色,被称为黑色碳化硅。一般碳化硅含量愈高、颜色愈浅,高纯碳化硅应为无色。4.2碳化硅陶瓷的制备Sic很难烧结,其晶界能与表面能之比很高,同时Sic烧结时扩散速率很低,它表面的氧化膜也起扩散势垒的作用,因此Sic需借助添加剂、压力或渗硅反
7、应才能获得致密材料。4.2.1陶瓷结合Sic(K-Sic)Sic粉料的粗粒部分与粘土相结合,利用普通陶瓷方法成形,然后在1400℃左右温度下烧成。烧过的粘土将Sic颗粒结合在一起,虽然颗粒仅是松结合,但对很多用途来说(如耐火材料、砂轮等)已足够了。在N2气氛下通空气或不通空气煅烧Sic颗粒和游离硅的混合物,可以生产出具有高温强度的氨化硅结合或氮氧化硅结合Sic产品。4.2.2再结晶Sic(R-Sic)利用泥浆浇注法制成坯体密度很高的Sic成型件,坯体在隔绝空气条件下用电炉在高达2500℃11温度下烧成,在2100℃以上温
8、度下产生蒸发和凝聚作用,形成无收编自结合结构。烧前和最终密度保持不变,在晶体之间形成固态Sic结合。这种R-Sic的Sic含量可达到100%,密度可达2.6göcm3,气孔率约为20%。4.2.3反应烧结结合Sic(RB-Sic)反应烧结Sic又称自结合Sic,可由Sic、C和含C结合剂按一定比例混合制成坯体,用常规
