碳化硅陶瓷的性能和生产

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1、碳化硅陶瓷的性能和生产    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。因其具有很大的硬度、耐热性、耐氧化性、耐腐蚀性，它已被确认为一种磨料、耐火材料、电热元件、黑色有色金属冶炼等用的原料。现在又被应用在机械工程中的结构件和化学工程中的密封件等。并已被世人证明这种材料用在包括腐蚀、磨蚀和高温以及航天等极端条件下是非常成功的。    1、碳化硅的晶体结构    SiC是以共介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，从而形成具有

2、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α-SiC、β-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α-SiC、β-SiC最为常见。α-SiC是高温稳定型，β-SiC是低温稳定型。β-SiC在2100~2400℃可转变为α-SiC，β-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析和定量测定。    2、碳化硅

3、的生产    2.1 碳化硅粉料的制备    2.1.1 SiO2-C还原法    工业上按下列反应式用高纯度石英砂和焦炭或石油焦在电阻炉内生产SiC：    这是个吸热反应，需使用大量电能。实际上反应远比上述反应式复杂的多，有些中间反应还有气相参加。用此法制得的SiC含量一般为96%左右。颜色有绿色和黑色，SiC含量愈高颜色愈浅，高纯为无色。    2.1.2 气凝SiO2的碳还原法    在粒度18~22纳米的SiO2中加入30~35纳米的天然气碳黑在1400~1500℃温度下通氩气保护，反应即可获得纯SiC。反应中加入微量SiC粉可抑制SiC晶

4、体的长大。    2.1.3 气相合成法    在气相硅的卤化物中加入碳氢化合物（气体）并通人一定量的氢气，在1200～1800℃的高温作用下可以制取高纯SiC．在这个反应中，碳氢化合物是作为碳的载体，氢气是用来还原，同时氢气还可以抑制在SiC生成过程中游离硅和碳的沉积。    此外还有“蒸气一液体一固相”法制取SiC。它是将气相中的组分溶解在液相中并使之在固体一溶体界面上生成结晶，这是培育SiC晶须最有效的方法。    2.2 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

5、的作用。因此SiC需借助添加剂或压力或渗硅反应才能获得致密材料。综合制造SiC陶瓷的成型技术的主要种类示于表1。表1SiC陶瓷成型技术名称结合相材料代号SiC含量（重量%）陶瓷结合SiC粘土、硅酸盐、Si3N4等K-SiC达95再结晶SiCSiC、Si+SiC，CAl2O3、B+C、B4C,BN.Sialon等R-SiC100反应结合SiCRB-SiC100渗透反应结合SiCSi-SiC90无压力烧结SiCS-SiC98热压SiCHP-SiC98热等静压SiCHIP-SiC大于99.5热等静压后的致密SiCHIPS-SiC98    2.2.1 陶瓷

6、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，但对许多用途来说（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提高了高温强度的氨化硅结合或氮氧化硅结合SiC产品。    2.2.2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于高达2500℃温度下烧成，在2100℃以上温度下产生蒸发和凝聚作用，形成无收编自结合

7、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其SiC含量可达到  100％，密度可达2.6g/cm3，气孔率约为20％。    2.2.3 反应烧结结合SiC（RB-SiC）    反应烧结SiC又称自结合SiC，是由SiC、C和含C结合剂按一定比冽混合制成坯；体，坯体可以用一种常规陶瓷成型技术成型（如干压、泥浆浇注、挤压等），然后加热到1650℃左右，并同时熔渗液态硅或气相硅，并使之与元素碳发生反应将SiC颗粒结合起来。如果允许完全渗硅，那么可以获得无孔密实体（Si－SiC）。硅渗透也被用于填充再结晶SiC。渗透SiC

8、中的游离Si含量通常在10～15％之间。一种新的RB－SiC致密材料（全部SiC含量均在烧结反应中通过化学合