高性能碳化硅陶瓷的工程应用

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1、十二、高性能碳化硅陶瓷的工程应用高积强、乔冠军、金志浩(西安交通大学西安天健工程陶瓷有限公司710049)摘要：本文对高性能碳化硅工程陶瓷材料的工程应用进行了总结，讨论了其产业化过程中所存在的主要技术难点，并对国内外市场前景进行了简单的分析。认为高性能碳化硅材料是目前最具有产业化前景的先进工程陶瓷材料之一，在能源、冶金、机械、建材、化工等领域具有广阔的应用前景。我国应把碳化硅陶瓷产业作为工程陶瓷优先产业化的目标之一，尽快使研究成果转化为生产力。关键词：碳化硅工程应用l前言在各种结构陶瓷材料系列中，氧化铝(刚玉)、碳化硅和氮化硅作为结构材料受到了

2、人们更多的青臁，在世界范围内已经或者正在成为重要的工业部门，其中剐玉和碳化硅材料的生产已经形成规模生产并产生了重大的经济效益。特别应当看到，二十世纪八十年代在结构陶瓷领域所完成的许多重要技术突破在九十年代开始了其商业化的进程，美、日等发达国家的许多公司均大幅度地提高了其结构陶瓷生产能力，特别是SiC与Si批的生产能力，许多公司的提高幅度甚至达到了40％左右“’。在我国，刚玉的生产已具有相当的规模，而碳化硅和氮化硅，尤其是碳化硅材料的生产则处在相对落后的状态。整个生产技术保持在国外五十年代的水平，工业企业大量生产低附加值的原材料和初级产品：而许多

3、重要工业部门和国防领域则从国外引进碳化硅材料深加工产品：同时实验室所进行的许多研究工作却难以得到直接推广应用。这样一种现象有必要引起各方面的注意。针对以上情况，本文对碳化硅材料及其在有关工程领域的应用，并结合作者的有关工作进行了总结，认为我国目前应把碳化硅工程陶瓷产业化作为工程陶瓷，特别是工程结构陶瓷发展的一个重要突破口．以推动工程陶瓷材料的研究与开发工作。2碳化硅材料的制造技术碳化硅所具有的共价键特性使锝其具有高硬度、直到2500"C的分解温度、高导热系数、低热膨胀、耐腐蚀等特点，所制得的碳化硅材料具有高的室温及高温强度、高热震抗力、耐磨等优

4、异性能，同时碳化硅又具有优异的高温半导体特性，可以用作高温加热元件和测温元件。，随着世界经济的发展，碳化硅的需求量稳定增长⋯。我国目前粗碳化硅原料的生产能力大约为200，000吨，虽然其中有相当大的出口比例，但由于我国碳化硅生产企业的相当一部分是乡镇企业，产品质量不高，所生产与出口的碳化硅主要用于制造冶金用耐火材料”1。同时由于我国的碳化硅原材料企业规模一般都比较小，投资分散、能源浪费、资源浪费，存在着严重的高投入、低产出现象。由于碳化硅的共价键特性，在一般工艺条件下难以得到致密的烧结体块状材料。人们经常采用加入助烧剂的方法来改善其烧结特性，或

5、者用第二相结合的方法使碳化硅结台在一起成为块状材料。最早用于结合碳化硅的第二相材料是粘土，但且前更多采用二氧化硅作为制造碳化硅耐火材料的结合剂，通过对生成氧化硅晶型的控制“。，得到鳞石英，避免了方石英对材料强度、抗氧化性能、热震性能所造成的危害。这种产品各项性能指标均不高，其室温弯曲低于50)l《pa。氮化硅作为碳化硅材料的结合相具有较高的热稳定性和化学稳定性，可以在较低的温度下(1200—1400℃)通过硅／氦反应得到氮化硅作为结合相的产品。这类产品的强度也不高，但具有较好的耐磨性能和尺寸稳定性，特别适合于与液态金属接触的使用环境，但其制造周

6、期长，成本高。反应结合碳化硅材料也称作自结合碳化硅材料，传统的方法是在Acheson电阻炉中通过SiO：在高温生成气态SiO与碳反应生成二次碳化硅作为结台相，我国目前碳化硅产品主要用这种方法生产。使用这种方法生产的碳化硅产品，其弯曲强度一般在70—80MPa，气孔率大于2096，产品类型与使用范围受到限制，同时生产过程伴随严重的环境污染、能源和资源浪费。直接采用气态或液态硅与碳反应结合的方法可以制得致密碳化硅材料。一般来讲，浸渍后的复合材料中会保留一定的残留硅。这种材料的室温弯曲强度最高可以达到380MPa。600℃时强度仅是室温强度值的130

7、％，在1350—1410。C时仅比峰值强度下降10％”1。国外在二十世纪90年代开始推出高性能硅／碳化硅材料”1。西安交通大学在科技部“九五”科技攻关项目的支持下，完成了相关工艺技术研究，开发出了高性能硅／碳化硅材料，并在此工艺基础上，开发出了在较低温度下制造高性能重结晶碳化硅产品的技术，有关技术通过了教育部组织的专家鉴定““，西安天健工程陶瓷有限公司使用该技术已经基本完成了中间试验工作，可以小批量供应有关产品。纯碳化硅粉末在无压条件下几乎很难烧结成致密块状材料。对8一SiC以立方结构)粉末的烧结经常将翻和碳作为助剂加入，而对于非立方结构的a—

8、SiC则经常采用翻和碳，或者铝和碳作为助剂。在超细碳化硅粉末加入烧结助剂在2000-2200"C烧结后的材料相对密度可以达到理论值的96．8％，抗弯强