碳化硅泡沫陶瓷现状与研究进展(学报)
碳化硅泡沫陶瓷的现状与研究进展
赵子鹏
摘要：本文主要介绍了碳化硅泡沫陶瓷国内外研究现状。分别从碳化硅泡沫陶瓷的粉料、碳化硅粉的制备、碳化硅泡沫陶瓷的配料、成型工艺、烧成制度及国内外碳化硅泡沫陶瓷性能等各个方面对其进行介绍，并展望了碳化硅泡沫陶瓷的发展方向。
关键词：碳化硅泡沫陶瓷制备性能
1引言
泡沫陶瓷是20世纪70年代发展起来的一种新型陶瓷材料。它体积密度很小，开口气孔率很高，具有三维网络结构。具有透过性好，比表面积大，密度小，耐高温及耐腐蚀性强等优点，而被广泛地应用于熔融金属过滤、催化剂载体、汽车尾气净化和吸音降噪等传统领域以及传感器、生物材料等新兴领域[1-6]。尤其在钢铁生产过程中有非常重要的作用。
泡沫陶瓷用于钢铁生产的金属液过滤环节，工业生产中常选用碳化硅过滤陶瓷作为钢铁生产中的过滤材料，它不仅可滤去金属液中大部分小至数微米的微小固体悬浮夹杂物，还可滤去液态的熔渣和气体，并且对金属液的流速有减缓作用，能大大改善铸件的显微组织和力学性能，使铸件的质量提高，致密性变好，降低废品率，减少铸件切削加工时刀具的磨损[7]。
2碳化硅泡沫陶瓷制备工艺
2碳化硅粉体的制备工艺
目前，国内外生产用于金属过滤器的泡沫陶瓷材料主要集中在Al2O3、堇青石、莫来石和SiC 等几种原料。SiC 材料由于具有优良的高温性能、高的热导率、良好的抗热震性能和化学稳定性成为制造用于过滤高温铸铁铁水和钢水的首选材料。碳化硅是人造的强共价键的非氧化物陶瓷材料,19世纪初首先Berzeliuss 合成,其工艺上的重要性经美国化学家Acheson揭示后于1893年被承认。高性能SiC材料(如β-SiC粉末、SiC晶须及复合材料)具有高技术、高附加值的特点,超细粉SiC就以其高温强度,高热导率,高耐磨性和耐腐蚀性在航天、汽车、机械、电子、化工等领域得到广泛应用,因此SiC的生产成为人们极为关注的问题。
2.1机械粉碎法
该法是通过无外部热能供给的高能球磨过程制备纳米粉体。可以使用球磨机、振动磨、行星磨、砂磨、流能磨等机械。传统的球磨机应用较早,设备稳定性较好,但效率低,粉磨后粉体粒径分布范围宽,增加了分级难度。有人用砂磨法在一定工艺条件下,将平均粒径为7.3μm的高纯SiC粗粉砂磨粉碎18h后,得到了平均粒径为0.47μm、粉体尺寸分布窄、氧质量分数小于1.5%的超细粉,同时避免了传统球磨、酸洗工艺对环境的污染，另外,经过充分研磨的颗粒之间也可以直
接发生化合反应得到粉体,有人采用MAS法制得纳米结构的SiC,并且合成温度低、反应时间缩短。
2.2人工合成法
该法是将几种物质在一定条件下使之发生化学反应,再从产物中得到纳米粉体。按初始原料的物态又可分为固相法,如碳热还原法、Si与C直接反应法等;液相法,如溶胶—凝胶法、聚合物热分解法等;气相法,如化学气相沉积法、等离子体法、激光诱导法等。
2.2.1碳热还原法
该法首先由Acheson发明,是在Acheson电炉中,石英砂中的二氧化硅被碳所还原制得SiC,实质是高温强电场作用下的的电化学反应,得到的SiC颗粒较粗。
SiO
(s) + 3C(s)→SiC(β) + 2CO(g)
2
随着微波与固体中的化学物质有效而特殊的耦合作用逐渐被弄清楚,微波加
纳米热合成粉体技术也日趋成熟。戴长虹等以自制的树脂热解碳和高纯的SiO
2
粉作原料,用微波炉作热源,在较低温度、极短时间内得到粒度在50-80 nm,纯度高达98%的SiC粉。
2.2.2 C与Si直接反应法
该法是对自蔓延高温合成法(SHS)的应用,是以外加热源点燃反应物坯体,利用材料在合成过程中放出的化学反应热来自行维持合成过程。除引燃外无需外部热源,具有耗能少、设备工艺简单、生产率高的优点;其缺点是自发反应难以控制。
2.2.3溶胶-凝胶法(sol-gel法)
该法以液体化学试剂配制成Si的醇盐前驱体,将它在低温下溶于溶剂形成均匀的溶液,加入适当凝固剂使醇盐发生水解、聚合反应后生成均匀而稳定的溶胶体系,再经过长时间放置或干燥处理,浓缩成Si和C在分子水平上的混合物或聚合物,继续加热形成混合均匀且粒径细小的SiO
和C的两相混合物,在1460-1
2
600℃左右发生碳还原反应最终制得SiC细粉。该法在工艺操作过程中易于实现各种微量成份的添加,混合均匀性好;但工艺产物中常残留羟基、有机溶剂对人的身体有害、原料成本高且处理过程中收缩量大是其不足。
2.2.4聚合物热分解法
有机聚合物的高温分解是制备碳化硅的有效技术:一类是加热凝胶聚硅氧烷,
和C,再由碳还原反应制得SiC粉。另一发生分解反应放出小单体,最终形成SiO
2
类是加热聚硅烷或聚碳硅烷放出小单体后生成骨架,最终形成SiC粉末。该方法便于控制，重现性好，适于扩大再生产。
2.2.5激光诱导气相法(Laser Induced CVD)
以激光为快速加热热源,使气相反应物分子内部快速地吸收和传递能量,在
瞬时完成气相反应的成核、长大。常用大功率CO
2
激光,由于反应核心区与反应器之间被原料气所隔离,污染极小,是当前能稳定获得高纯超细粉体的重要方法;但激光器效率低、电能消耗大、投资大而难以规模化生产[8]。
2.3碳化硅泡沫陶瓷配料和成型
SiC粉料准备好以后，接下来重要的一步是配料，浆料的组成主要取决于泡沫陶瓷制品性能要求，多以碳化硅、氧化铝等为主要成分。如氧化铝、莫来石、
氧化锆等。最常用的结合剂有硅酸盐、硼酸盐、磷酸盐等及AI(OH)
3，溶胶和SiO
2
胶体。此外还使用有机结合剂。流化剂用来提高浆料触变性，这样在料浆浸渍泡沫前驱体时，能均匀地被覆在泡沫网络上，在泡沫中有足够的粘度。通常，硫化剂主要是天然粘土，用量一般为0.5%-1.5%。加人消泡剂是为了防止浆料起泡，多用低分子量的醇或树脂等。絮凝剂是用于改善浆料与有机泡沫的粘结性，主要有聚乙二胺等[9]。
当今碳化硅泡沫陶瓷的成型工艺主要有添加造孔剂工艺、有机泡沫浸渍工艺、发泡工艺、溶胶—凝胶（Sol-Gel）工艺、注模工艺、自蔓延高温合成工艺。
2.3.1添加造孔剂工艺
通过在陶瓷配料中添加造孔剂,利用造孔剂在坯体中占据一定的空间,然后经过烧结,造孔剂离开基体而形成气孔来制备泡沫陶瓷。用这种方法可以制得形状复杂的泡沫陶瓷制品,但制品气孔分布的均匀性较差。造孔剂的种类和加入量是该方法的关键,造孔剂分为有机造孔剂和无机造孔剂两种,碳酸铵、碳酸钙、氯化铵、碳酸氢铵等高温可分解盐类以及各类碳粉、煤粉等,属于无机造孔剂;天然纤维、高分子聚合物和有机酸等属于有机造孔剂。
2.3.2发泡工艺
发泡工艺的主要原理是在陶瓷粉料中加人适当的发泡剂,通过化学反应产生挥发性气体从而产生泡沫,然后再经干燥和烧成制得。采用发泡工艺可以制备形状复杂的泡沫陶瓷制品。这种工艺成形泡沫陶瓷较复杂,不易控制,且制备的泡沫陶瓷易出现粉化剥落现象，并含有大量闭口气孔,因而在实际制备中较少被采用。
2.3.3 有机泡沫浸渍工艺
该方法基本思路是:首先将有机泡沫浸渍到陶瓷料浆中,然后经过干燥、烧成
使有机泡沫脱离母体就可以获得泡沫陶瓷。通过控制浆料性能,优化无机粘结剂体系,严格控制浆料浸渍工艺过程,可以制备高性能的泡沫陶瓷制品。
该方法是目前泡沫陶瓷最理想的制备方法,用此种成形方法制备的泡沫陶瓷已在多个领域获得大量应用。但是有机前驱体浸渍法存在一个明显的缺陷,即有机泡沫体的网眼尺寸是有限的,这在一定程度上制约了所得泡沫陶瓷材料的孔径和结构。针对此问题,采用三维网状有机泡沫材料为载体,首先用浸渍工艺制备出疏松多孔结构坯体,并经过排塑、预烧处理获得具有一定强度的预制体,再通过对预制体进行表面处理,可以很好地解决这一问题。
图1 样品的制备流程工艺图
2.2.4溶胶—凝胶（Sol-Gel）工艺
溶胶-凝胶法利用凝胶化过程中胶体粒子的堆积以及凝胶处理、热处理等过程中留下小气孔,形成可控孔隙结构。由溶胶向凝胶的转化过程中,体系的粘度迅速增加,从而稳定了已经产生的气泡,有利于发泡。纳米级的微孔陶瓷材料,气孔分布均匀,现已成为无机分离膜制备工艺中最为活跃的研究领域[10]。
表2 几种泡沫陶瓷制备工艺的比较
成型工艺孔径气孔率
/%
优点缺点应用实例
添加造孔剂工艺10μm～
1mm
0～50
采用不同的成型方法，可
制得形状复杂的制品可制
备各种气孔结构的多孔制
品
气孔分布均匀
性差，不易制
得高气孔率制
品
一般过滤
器催化剂
支持体
发泡工艺10μm～
2mm
40～90
特别适合制备闭气孔制
品，气孔率大，强度高
对原料要求
高，工艺条件
不易控制
轻质建材
保温材料
有机泡沫浸渍工艺100μm～
5mm
70～90
能够制备高气孔率
制品，试样强度好
不能制造小孔
径闭气孔的制
品，制品形状
受限，制品成
分密度不易控
制
金属熔体
过滤器
溶胶-凝胶
工艺2mm～
100mm
0～95
适于制备微孔陶瓷，制备
薄膜材料，气孔分布均匀
原料受限制，
生产率低，制
品形状受限制
微孔
分离膜
2.3.5注模工艺
注模工艺是将有机单体溶液与陶瓷粉体、引发剂和催化剂球磨混合成均匀浆料,然后浸渍聚合物泡沫使之在泡沫网络骨架表面形成涂层,最后有机单体在引发剂和催化剂作用下产生原位聚合反应,使浆料凝固。其关键技术是如何控制料浆内部及添加剂的原位化学反应,使陶瓷料浆原位凝固形成坯体。
该方法能够制备机械强度高、微观结构均匀,结构致密的泡沫陶瓷。具有灵活的可调性,可以根据材料性能的要求自由控制凝固时间,同时可以实现复杂形状成形,用来制备形状复杂,具有特殊要求的陶瓷材料。它是一种被广泛应用的新型成形方法,且工艺简单,适合大批量生产。
2.3.6高温自蔓延(SHS)合成工艺
高温自蔓延合成工艺是一种高放热无机化学反应,其基本反应过程是:向体系提供必要能量,诱发体系局部产生化学反应,这一化学反应过程在自身放出的高热量的支持下继续进行,最后将燃烧波蔓延到整个体系。
SHS反应产物通常具有很高的孔隙率,利用这一特点可以制备具有多孔连续网络结构的陶瓷材料,而且通过添加造孔剂可进一步提高制品的开口气孔率,制备出优良性能的陶瓷材料。[11]
2.4烧结工艺制度
经过各种制备工艺的比较（见表2），有机泡沫浸渍工艺是操作简单、成本较低、适合生产金属过滤器的的一种成型工艺，故选用此方法制备碳化硅泡沫陶瓷。
刘岩等人[12]探讨了烧结温度对制品性能的影响，试验结果表明,最佳的烧结温度为1400℃,保温时间为2h。如果提高烧结温度会导致SiC严重氧化,生成大量的方石英,方石英在随后的冷却过程中发生晶型转变易引起体积变化,导致泡沫陶瓷产品出现微裂纹,降低了产品的强度。赵东亮等人[13]采用的烧成制度制备SiC泡沫陶瓷,泡沫陶瓷的抗压强度达到3MPa
图2 碳化硅泡沫陶瓷烧结温度制度
3 碳化硅泡沫陶瓷性能
国外应用有机泡沫浸渍法生产SiC泡沫陶瓷的工艺比较先进，技术设备已经达到机械化、自动化，并且可以生产出性能优良、多种规格的SiC泡沫陶瓷产品。目前世界上生产泡沫陶瓷最大的厂家美国Astro 和Se!ee公司采用浸渍辊压成形机成形，微波干燥坯体，计算机监控高温辊道窑连续烧成，检测及封装完全机械化，整个生产工艺已经达到了很高的技术水平。口本品川白炼瓦公司也已经开发出气孔率为80% ，抗压强度为3-5MPa，使用温度达1200℃的SiC质泡沫陶瓷。英国、德国和瑞士等国家也相继研制成功了SiC泡沫陶瓷过滤器。[14]目前国内应用有机泡沫浸渍法制备SiC泡沫陶瓷在浆料的性能和烧结制度等方面的研究已经取得了一定的成绩，但是生产的泡沫陶瓷过滤板与国外相比，还存在制品强度低、产品性能不稳定及生产效率不高的缺点，在研制浆料的性能和烧结制度的某些工艺参数方面仍有待进一步改善。
[14]
[14]
4结论
实验室用碳化硅粉体一般从厂家直接购买，采用固相法生产居多；碳化硅泡沫陶瓷制备采用有机泡沫浸渍工艺成本低且简便易行；烧结碳化硅泡沫陶瓷坯体采用无压烧结，烧结温度1400℃,保温时间为2h。
泡沫陶瓷作为一种新兴的陶瓷种类,以其较低的制造成本、操作简单的制备工艺、良好的机械性能受到了广泛的关注和应用,国际上很多国家都加入到泡沫陶瓷的研制中。我国与国外泡沫陶瓷产品相比还存在着一定的差距,有不少问题需要进一步解决,如研究陶瓷的材质,更好的提高泡沫陶瓷的性能。使之既符合耐急冷急热的性能要求,而又具有较高的使用温度,;提高泡沫陶瓷的强度,防止产生陶瓷粒掉渣现象发生;改进制造工艺,使泡沫陶瓷的制备完成大型化、一体化,最大幅度的降低成本增强市场竞争力。
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碳化硅复合陶瓷的研究现状及其应用
碳化硅复合陶瓷的研究现状及其应用 曾星华 长安大学材料科学与工程学院 摘要碳／碳化硅(C／SiC)陶瓷基复合材料是重要的热结构材料体系之一。综述了近年来发展的有关制备C／SiC陶瓷基复合材料的各种技术及其在航空航天、光学系统、空间技术、交通Z-具(刹车片、阀)、能源技术等领域的应用，并且综述了烧结助剂含量对液相烧结SiC陶瓷抗氧化性的影响、三维针刺碳/碳化硅陶瓷基复合材料及其摩擦磨损性能以及二维C/SiC复合材料的拉伸损伤演变过程和微观结构特征等最新研究成果。 关键字碳化硅陶瓷基复合材料制备技术力学性能抗氧化性液相烧结1.引言 陶瓷基复合材料（CMC)是在陶瓷基体中引入第二相材料，使之增强、增韧的多相材料，又称为多相复合陶瓷或复相陶瓷.陶瓷基复合材料是2O世纪8O年代逐渐发展起来的新型陶瓷材料，包括纤维(或晶须)增韧(或增强)陶瓷基复合材料、异相颗粒弥散强化复相陶瓷、原位生长陶瓷复合材料、梯度功能复合陶瓷及纳米陶瓷复合材料。其因具有耐高温、耐磨、抗高温蠕变、热导率低、热膨胀系数低、耐化学腐蚀、强度高、硬度大及介电、透波等特点，在有机材料基和金属材料基不能满足性能要求的情况下可以得到广泛应用，成为理想的高温结构材料。陶瓷基复合材料正是人们预计在21世纪中可替代金属及其合金的发动机热端结构的首选材料。鉴于此，许多国家都在积极开展陶瓷基复合材料的研究，大大拓宽了其应用领域，并相继研究出各种制备新技术，其中，C／SiC陶瓷基复合材料是其中一个非常重要的体系。C／SiC陶瓷基复合材料主要有两种类型，即碳纤维／碳化硅和碳颗粒／碳化硅陶瓷基复合材料。碳纤维／碳化硅陶瓷基复合材料是利用碳纤维来增强增韧SiC陶瓷，从而改善陶瓷的脆性，实现高温结构材料所必需的性能，如抗氧化、耐高温、耐腐蚀等；碳颗粒／碳化硅陶瓷基复合材料是利用碳颗粒来降低SiC陶瓷的硬度，实现结构陶瓷的可加工性能，同时具有良好的抗氧
碳化硅的应用
碳化硅 碳化硅，又称为金钢砂或耐火砂，英文名Silicon Carbide，分子式SiC。 纯碳化硅是无色透明的晶体。工业碳化硅因所含杂质的种类和含量不同，而呈浅黄、绿、蓝乃至黑色，透明度随其纯度不同而异。碳化硅晶体结构分为六方或菱面体的α-SiC和立方体的β-SiC(称立方碳化硅)。α-SiC由于其晶体结构中碳和硅原子的堆垛序列不同而构成许多不同变体，已发现70余种。β-SiC于2100℃以上时转变为α-SiC。绿色至蓝黑色。介电常数7。硬度9Mobs。A-是半导体。迁移率(300 K), cm2 / (VS),400电子和50空穴，谱带间隙eV，303(0 K)和2.996(300 K)；有效质量0.60电子和1.00空穴，电导性，耐高温氧化性能。相对密度3.16。熔点2830℃。导热系数(500℃)22. 5 , (1000℃)23.7 W / (m2K)。热膨胀系数：线性至100℃：5.2×10-6/ ℃，不溶于水、醇；溶于熔融碱金属氢氧化物。 碳化硅是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑(生产绿色碳化硅时需要加食盐)等原料在电阻炉内经高温冶炼而成。目前我国工业生产的碳化硅分为黑色碳化硅和绿色碳化硅两种，均为六方晶体，比重为3.20～3.25，显微硬度为2840～3320kg/mm2。碳化硅为晶体，硬度高，切削能力较强，化学性能力稳定，导热性能好。 黑碳化硅是以石英砂，石油焦和优质硅石为主要原料,通过电阻炉高温冶炼而成。其硬度介于刚玉和金刚石之间,机械强度高于刚玉,性脆而锋利。绿碳化硅是以石油焦和优质硅石为主要原料,添加食盐作为添加剂，通过电阻炉高温冶炼而成。其硬度介于刚玉和金刚石之间，机械强度高于刚玉。常用的碳化硅磨料有两种不同的晶体，一种是绿碳化硅，含SiC 97%以上，主要用于磨硬质含金工具。另一种是黑碳化硅，有金属光泽，含SiC 95%以上，强度比绿碳化硅大，但硬度较低，主要用于磨铸铁和非金属材料。 碳化硅的用途是十分广泛的，目前主要是用作磨料和耐火材料，这两项用途占了碳化硅产量中的大部分。通常磨料用的颗粒粒级很窄，反之耐火材料不同。下面分几个方面介绍碳化处的主要用途。 一、磨料 由于碳化硅具有很高的硬度、化学稳定性和一定的韧性，所以是一种用途很广的磨料，可用以制造砂轮、油石、涂附磨具或自由研磨。它主要是用于研磨玻璃、陶瓷、石材等非金属材料、铸铁及某些非铁金属，它与这些材料之间的反应性很弱。由于它是普通废料中硬度最高的材料，所以包常用以加工硬质合金、钛合金、高速钢刀具等难磨材料及修正砂轮用。碳化硅硬度仅次于金刚石，具有较强的耐磨性能，是耐磨管道、叶轮、泵室、旋流器，矿斗内衬的理想材料，其耐磨性能是铸铁、橡胶使用寿命的5~20倍，也是航空飞行跑道的理想材料之一。 其中黑色碳化硅和绿色碳化硅的应用也有所差别。黑碳化硅制成的磨具，多用于切割和研磨抗张强度低的材队如玻璃、陶瓷、石料和耐火物氯同时也用于铸铁零件和有色金属材料的磨削。绿碳化硅制成的磨具，多用于硬质合金、钦合金、光学玻璃的磨削，同时也用于缸缸和高速钢刀具的精磨。 由于其优良的耐磨性，碳化硅在冶金选矿行业中也有应用。参见《碳化硅在选矿工艺中的应用》。 二、耐火材料和耐腐蚀材料 这一用途是由于它的高熔点(分解温度)、化学惰性和抗热震性。日前生产碳化硅耐火材料的主要方法包括压制和烧结碳化硅、压制和再结晶碳化硅、浇注和再结晶碳化硅、碳化硅
碳化硅陶瓷的发展与应用
碳化硅陶瓷的发展与应用 1073112 王苗 摘要：碳化硅陶瓷以其优异的抗热震、耐高温、抗氧化和耐化学腐蚀等特性而广泛地应用于石油、化学、汽车、机械和宇航等工业领域中，并日益引起人们的重视。本文对各种SiC 陶瓷的制备方法、性能特点及其应用现状进行了综合评述。 关键词：碳化硅陶瓷发展与应用 Abstract: Silicon carbide ceramics have been widely used in petroleum, chemical, automotive，mechanical and aerospace industries because of their excellent resistance to thermal shock, high temperatures, oxidation and chemical corrosion. In this paper, the fabricating methods, mechanical properties and current applications of various SiC ceramics are revicwed. Key Words: SiC Ceramics Development and Application 1 前言 现代国防、核能和空间技术以及汽车工业、海洋工程的迅速发展, 对火箭燃烧室内衬、飞机涡轮发动机叶片、核反应堆结构部件、高速气动轴承和机械密封零件等材料的要求愈来愈高, 迫切需要开发各种新型高性能结构材料。碳化硅陶瓷具有高温强度大、抗氧化性强、耐磨损性好、热稳定性佳、热膨胀系数小、热导率大、硬度高以及抗热震和耐化学腐蚀等优良特性, 因此, 已经在许多领域大显身手, 并日益受到人们的重视。例如, SiC陶瓷在石油化学工业中已被广泛地用作各种耐腐蚀用容器及管道在机械工业中已被成功地用作各种轴承、切削刀具和机械密封部件在宇航和汽车工业中也被认为是未来制造燃气轮机、火箭喷嘴和发动机部件的最有希望的候选材料。 本文首先对SiC 的基本性质及SiC粉末的合成方法进行了简单介绍, 接着重点综述了SiC陶瓷的性能特点, 最后对SiC陶瓷的应用现状与未来发展进行了概括和分析。 2 碳化硅的基本特性 2.1、化学属性 抗化合性：碳化硅材料在氧气中反应温度达到1300℃时，在其碳化硅晶体表层已经生成二氧化硅保护层。随着保护层的加厚，抵制了里面碳化硅继续被化合，这使碳化硅有较好的抗化合性。当气温达到1900K(1627℃)以上时，二氧化硅保护膜已经被破坏，碳化硅化合效应加重，从而1900K是碳化硅在氧化剂氛围下的最高工作气温。 耐酸碱性：在耐酸、碱及化合物的效用方面，因为二氧化硅保护膜的效用，碳化硅的抗酸能力非常非常强，抗碱性稍差。 2.2、物理性能 密度：各样碳化硅晶形的颗粒密度十分相近，通常情况下，应该是3.20 g/ m m3，其碳化硅磨料的堆砌密度在1.2--1.6 g/ m m3之间，其高矮取决于其粒度号、粒度合成和颗粒形状的大小。 硬度：碳化硅的硬度为：莫氏9.5级。单晶硅的硬度为：莫氏7级。多晶硅的硬度为：莫氏7级。都是硬度相对较高的物料。努普硬度为2670—2815公斤/毫米，在磨料中高于刚玉而仅次于金刚石、立方氮化硼和碳化硼。 导热率：碳化硅制品的导热率非常高，热膨胀参数小，抗热震性非常高，是优质的耐火材料。 2.3、电学属性 恒温下工业碳化硅是一种半导体，属杂质导电性。高纯度碳化硅随着气温的升高内阻率降低，含杂质碳化硅按照其含杂质不一样，导电性能也不一样。
碳化硅陶瓷生产工艺_碳化硅陶瓷烧结方法
碳化硅陶瓷生产工艺_碳化硅陶瓷烧结方法 21世纪是信息化时代，但很多人都开始了传统的生活，注意养生，比如想要逃离城市，进入乡村，因为乡下的空气好；又比如不再吃大鱼大肉，而是吃起了野菜。那么传统的陶瓷自然也受到人们的喜爱了。碳化硅陶瓷生产工艺是什么，碳化硅陶瓷烧结方法有哪些，碳化硅扰动喷嘴清洗剂哪种好，这就是今天小编带来的问题内容。 碳化硅陶瓷-生产工艺 碳化硅陶瓷主要组成物是SiC，这是一种高强度、高硬度的耐高温陶瓷，在1200℃~1400℃使用仍能保持高的抗弯强度，是目前高温强度高的陶瓷，碳化硅陶瓷还具有良好的导热性、抗氧化性、导电性和高的冲击韧度。是良好的高温结构材料，可用于火箭尾喷管喷嘴、热电偶套管、炉管等高温下工作的部件；利用它的导热性可制作高温下的热交换器材料；利用它的高硬度和耐磨性制作砂轮、磨料等。 SiC具有很高的抗氧化性，因为在体材料的氧化过程中会在氧化界面形成SiO2层，从而阻止了氧化
的进行化学方程式：2SiC+3O2=2SiO2+2CO（好的稳定性就包括化学稳定强和物理稳定性强，化学稳定性强包含抗氧化、 耐腐蚀，物理稳定性主要 指热膨胀系数低、抗弯强 度高、耐高温，不容易受 温差和外部环境影响。） 力学性能 陶瓷材料是工程材料中刚 度好、硬度高的材料，其 硬度大多在1500HV以上。 陶瓷的抗压强度较高，但 抗拉强度较低，塑性和韧 性很差。 热性能 陶瓷材料一般具有高的熔点（大多在2000℃以上），且在高温下具有好的化学稳定性；同时陶瓷的线膨胀系数比金属低，当温度发生变化时，陶瓷具有良好的尺寸稳定性。 电性能 陶瓷散热片具有良好的电绝缘性，绝缘阻抗为10GΩ（吉欧） 化学性能 陶瓷材料在高温下不易氧化，因为在体材料的氧化过程中会在氧化界面形成SiO2层，从而阻止了氧化的进行。化学方程式：2SiC+3O2=2SiO2+2CO，并对酸、碱、盐具有良好的抗腐蚀能力。碳化硅扰动喷嘴-清洗剂如何选择 1、碳化硅喷嘴清洗剂应不产生影响清洁过程及现场卫生的泡沫和异味。 2、清洗剂清洁污垢的速度要快要彻底。
碳化硅陶瓷及制备工艺
碳化硅陶瓷性能及制造工艺 碳化硅（SiC）陶瓷，具有抗氧化性强，耐磨性能好，硬度高，热稳定性好，高温强度大，热膨胀系数小，热导率大以及抗热震和耐化学腐蚀等优良特性。因此，已经在石油、化工、机械、航天、核能等领域大显身手，日益受到人们的重视。例如，SiC陶瓷可用作各类轴承、滚珠、喷嘴、密封件、切削工具、燃汽涡轮机叶片、涡轮增压器转子、反射屏和火箭燃烧室内衬等等。 SiC陶瓷的优异性能与其独特结构密切相关。SiC是共价键很强 的化合物，SiC中Si-Ｃ键的离子性仅１２％左右。因此，SiC强度高、弹性模量大，具有优良的耐磨损性能。纯SiC不会被ＨＣｌ、ＨＮＯ３、Ｈ２ＳＯ４和ＨＦ等酸溶液以及ＮａＯＨ等碱 溶液侵蚀。在空气中加热时易发生氧化，但氧化时表面形成的 ＳｉＯ２会抑制氧的进一步扩散，故氧化速率并不高。在电性 能方面，SiC具有半导体性，少量杂质的引入会表现出良好的导电性。此外，SiC还有优良的导热性。 SiC具有α和β两种晶型。β－SiC的晶体结构为立方晶系，Si和Ｃ分别组成面心立方晶格；α－SiC存在着４Ｈ、１５Ｒ和６Ｈ等１００余种多型体，其中，６Ｈ多型体为工业应用上最为普遍的一种。在
SiC的多种型体之间存在着一定的热稳定性关系。在温度低于１６００℃时，SiC以β－SiC形式存在。当高于１６００℃时，β－SiC缓慢转变成α－SiC的各种多型体。４Ｈ－SiC在２０００℃左右容易生成；１５Ｒ和６Ｈ多型体均需在２１００℃以上的高温才易生成；对于６Ｈ－SiC，即使温度超过２２００℃，也是非常稳定的。SiC中各种多型体之间的自由能相差很小，因此，微量杂质的固溶也会引起多型体之间的热稳定关系变化。 现就SiC陶瓷的生产工艺简述如下： 一、SiC粉末的合成： SiC在地球上几乎不存在，仅在陨石中有所发现，因此，工业上应用的SiC粉末都为人工合成。目前，合成SiC粉末的主要方法有：１、Ａｃｈｅｓｏｎ法： 这是工业上采用最多的合成方法，即用电将石英砂和焦炭的混合物加热至２５００℃左右高温反应制得。因石英砂和焦炭中通常含有Ａｌ和Ｆｅ等杂质，在制成的SiC中都固溶有少量杂质。其中，杂质少的呈绿色，杂质多的呈黑色。 ２、化合法： 在一定的温度下，使高纯的硅与碳黑直接发生反应。由此可合
陶瓷的研究现状与发展展望
陶瓷的研究现状与发展展望 陶瓷材料是用天然或合成化合物经过成形和高温烧结制成的一类无机非金属材料.它具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等优点.可用作结构材料、刀具材料,由于陶瓷还具有某些特殊的性能,又可作为功能材料. 分类: 普通陶瓷材料 采用天然原料如长石、粘土和石英等烧结而成,是典型的硅酸盐材料,主要组成元素是硅、铝、氧,这三种元素占地壳元素总量的90%,普通陶瓷来源丰富、成本低、工艺成熟.这类陶瓷按性能特征和用途又可分为日用陶瓷、建筑陶瓷、电绝缘陶瓷、化工陶瓷等. 特种陶瓷材料 采用高纯度人工合成的原料,利用精密控制工艺成形烧结制成,一般具有某些特殊性能,以适应各种需要.根据其主要成分,有氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、金属陶瓷等；特种陶瓷具有特殊的力学、光、声、电、磁、热等性能.本节主要介绍特种陶瓷. 编辑本段性能特点力学性能 陶瓷材料是工程材料中刚度最好、硬度最高的材料,其硬度大多在1500HV以上.陶瓷的抗压强度较高,但抗拉强度较低,塑性和韧性很差. 热性能 陶瓷材料一般具有高的熔点（大多在2000℃以上）,且在高温下具有极好的化学稳定性；陶瓷的导热性低于金属材料,陶瓷还是良好的隔热材料.同时陶瓷的线膨胀系数比金属低,当温度发生变化时,陶瓷具有良好的尺寸稳定性. 电性能 大多数陶瓷具有良好的电绝缘性,因此大量用于制作各种电压（1kV~110kV）的绝缘器件.铁电陶瓷（钛酸钡BaTiO3）具有较高的介电常数,可用于制作电容器,铁电陶瓷在外电场的作用下,还能改变形状,将电能转换为机械能（具有压电材料的特性）,可用作扩音机、电唱机、超声波仪、声纳、医疗用声谱仪等.少数陶瓷还具有半导体的特性,可作整流器. 化学性能 陶瓷材料在高温下不易氧化,并对酸、碱、盐具有良好的抗腐蚀能力. 光学性能 陶瓷材料还有独特的光学性能,可用作固体激光器材料、光导纤维材料、光储存器等,透明陶瓷可用于高压钠灯管等.磁性陶瓷（铁氧体如：MgFe2O4、CuFe2O4、Fe3O4）在录音磁带、唱片、变压器铁芯、大型计算机记忆元件方面的应用有着广泛的前途. 编辑本段常用特种陶瓷材料 根据用途不同,特种陶瓷材料可分为结构陶瓷、工具陶瓷、功能陶瓷. 1．结构陶瓷 氧化铝陶瓷主要组成物为Al2O3,一般含量大于45%.氧化铝陶瓷具有各种优良的性能.耐高温,一般可要1600℃长期使用,耐腐蚀,高强度,其强度为普通陶瓷的2~3倍,高者可达5~6倍.其缺点是脆性大,不能接受突然的环境温度变化.用途极为广泛,可用作坩埚、发动机火花塞、高温耐火材料、热电偶套管、密封环等,也可作刀具和模具. 氮化硅陶瓷主要组成物是Si3N4,这是一种高温强度高、高硬度、耐磨、耐腐蚀并能自润
碳化硅陶瓷 论文
新型功能材料 专业化学类 班级应化1101 学生郭珊 学号20110222056 小组成员丁超凡付文静韩丹丹韩双任课教师李村成 平时成绩 论文成绩 课程成绩
课程论文要求 结合自己学习兴趣，通过小组调研，查阅相关资料，撰写一篇与新型功能材料有关的课程论文。 论文要求：1.论文题目科学规范，调研方向具体明确、题目不能过大；2.字数要在5000字左右（不计参考文献）；3.论文撰写要使用自己的语言，要有自己见解及评论，不能拷贝、翻译；4.文字简练，层次分明，逻辑性强，条理清晰，引用数据准确、真实、可靠，结论明确；5.文中涉及的图表需自己画；6.引用的参考文献需在文中用数字标出并在文后列出; 7. 量和单位必须采用中华人民共和国的国家标准GB3100~GB3102-93； 8. 字体及格式统一要求：论文标题用居中加粗宋体三号字；小标题用加粗宋体小四号字；图表说明用居中宋体五号字；正文及引用文献用宋体小四号字（英文和数字用Times New Roman）；1.25倍行距，A4纸，上、下、左、右页边距均为2.5 cm；9. 提交论文双面打印。 本课程成绩评定说明： 该课程总成绩由平时成绩与课程论文成绩两部分组成，其中平时考勤、课堂表现、课堂报告等成绩占总成绩50%；课程论文成绩占总成绩的50 %。 平时成绩与课程论文成绩均按满分100分评定。
新型陶瓷-碳化硅陶瓷制备技术及应用 摘要：阐述了碳化硅陶瓷的制备技术及应用，介绍了SiC粉末的合成方法（如Acheson法、化合法、热分解法、气相反相法）、SiC的烧结方法（如无压烧结、热压烧结、热等静压烧结、反应烧结）、反应烧结碳化硅的成型工艺（如模压成型、等静压成型、注浆成型）以及碳化硅陶瓷在各个方面的广泛应用，并展望了碳化硅陶瓷的发展应用前景。 关键词：新型陶瓷；碳化硅陶瓷；SiC粉末合成；SiC烧结；成型工艺 一、引言 传统陶瓷是用天然或人工合成的粉状化合物，经过成型和高温烧结制成的，由无机化合物构成的多相固体材料。新型陶瓷以精致的高纯天然无机物或人工合成的无机化合物为原料，采用精密控制的加工工艺烧结，具有优异的性能。在各个方面，新型陶瓷和传统陶瓷有诸多的不同之处。 在原料使用上方面，新型陶瓷突破传统陶瓷以黏土为主，使用精选或提纯的氧化物、硅化物、氮化物、硼化物等原料。成分方面，传统陶瓷的组成与黏土的成分相关，不同产地料对产品组成与结构影响很大；新型陶瓷原料是提纯化合物，性质由原料的纯度和制备工艺决定，与产地原料无关。在制备工艺方面，传统陶瓷以窑炉为主；新型陶瓷用真空烧结、气氛烧结、热压、热静压等手段实现。在性能与用途方面，传统陶瓷体现日常应用；新型陶瓷具有高强度、高硬度、耐磨、耐蚀、感应性等特殊性能、使用在特殊场合,在高温,机械电子计算机航天医学工程广泛应用。 依据材料功能，新型陶瓷分类如表一： 表一新型陶瓷分类
碳化硅陶瓷
碳化硅工艺流程 碳化硅（SiC）陶瓷，具有抗氧化性强，耐磨性能好，硬度高，热稳定性好，高温强度大，热膨胀系数小，热导率大以及抗热震和耐化学腐蚀等优良特性。因此，已经在石油、化工、机械、航天、核能等领域大显身手，日益受到人们的重视。例如，SiC陶瓷可用作各类轴承、滚珠、喷嘴、密封件、切削工具、燃汽涡轮机叶片、涡轮增压器转子、反射屏和火箭燃烧室内衬等等。 SiC陶瓷的优异性能与其独特结构密切相关。SiC是共价键很强的化合物，SiC中Si-C键的离子性仅12％左右。因此，SiC强度高、弹性模量大，具有优良的耐磨损性能。纯SiC 不会被HCl、HNO3、H2SO4和HF等酸溶液以及NaOH等碱溶液侵蚀。在空气中加热时易发生氧化，但氧化时表面形成的SiO2会抑制氧的进一步扩散，故氧化速率并不高。在电性能方面，SiC具有半导体性，少量杂质的引入会表现出良好的导电性。此外，SiC还有优良的导热性。 SiC具有α和β两种晶型。β－SiC的晶体结构为立方晶系，Si和C分别组成面心立方晶格；α－SiC存在着4H、15R和6H等100余种多型体，其中，6H多型体为工业应用上最为普遍的一种。在SiC的多种型体之间存在着一定的热稳定性关系。在温度低于1600℃时，SiC以β－SiC形式存在。当高于1600℃时，β－SiC缓慢转变成α－SiC的各种多型体。4H－SiC在2000℃左右容易生成；15R和6H多型体均需在2100℃以上的高温才易生成；对于6H－SiC，即使温度超过2200℃，也是非常稳定的。SiC中各种多型体之间的自由能相差很小，因此，微量杂质的固溶也会引起多型体之间的热稳定关系变化。 现就SiC陶瓷的生产工艺简述如下： 一、SiC粉末的合成： SiC在地球上几乎不存在，仅在陨石中有所发现，因此，工业上应用的SiC粉末都为人工合成。目前，合成SiC粉末的主要方法有： 1、Acheson法： 这是工业上采用最多的合成方法，即用电将石英砂和焦炭的混合物加热至2500℃左右高温反应制得。因石英砂和焦炭中通常含有Al和Fe等杂质，在制成的SiC中都固溶有少量杂质。其中，杂质少的呈绿色，杂质多的呈黑色。 2、化合法：
碳化硅的制备与应用
目录 摘要 (1) 关键字 (1) 1碳化硅的合成与制备 (1) 2SiC陶瓷的主要应用领域 (3) 3结束语 (5) 参考书目 (5)
碳化硅陶瓷的制备与应用 摘要：碳化硅陶瓷材料由于抗氧化性强、耐磨性能好、硬度高、热稳定性好、高温强度大、热膨胀系数小、热导率大以及抗热震和耐化学腐蚀等优良特性，广泛的应用于各个领域。本文通过对碳化硅陶瓷材料的的发展历程，特性及国内外研究状况提出了几种碳化硅陶瓷的烧结方法，并讨论其发展趋势。 关键词：碳化硅；合成与制备；烧结；应用； 1、碳化硅陶瓷的合成与制备 SiC由于其共价键结合的特点，烧结时的扩散速率相当低，即使在的2100℃的高温，C和Si的自扩散系数也仅为1.5×10-10和2.5×10-13cm2/s所以，很难采取通常离子键结合材料所用的单纯化合物常压烧结途径来制取高致密化材料，必须采用一些特殊的工艺手段或依靠第二相物质促进其烧结。 SiC很难烧结。其晶界能与表面能之比很高,不易获得足够的能量形成晶界而烧结成块体。SiC烧结时的扩散速率很低,其表面的氧化膜也起扩散势垒作用。因此,碳化硅需要借助添加剂或压力等才能获得致密材料。本制件采用Al-B-C作为烧结助剂。硼(B)在SiC晶界的选择性偏析减小晶界能,提高烧结推动力,但过量的B会使SiC晶粒异常长大。添加C(碳)可以还原碳化硅表面对烧结起阻碍作用的SiO2膜,并使表面自由能提高。但过多的碳,使制品失重,密度下降。铝(Al)有抑制晶粒长大的作用,并有增强硼的烧结助剂作用,但过量的Al却会使制件的高温强度下降。因此,必须通过试验合理确定Al,B,C的用量。 目前制备SiC陶瓷的主要方法有无压烧结、热压烧结、热等静压烧结、反应烧结等。 1.1 碳化硅陶瓷的无压烧结 无压烧结被认为是SiC烧结最有前途的烧结方法，通过无压烧结工艺可以制备出复杂形状和大尺寸的SiC部件。根据烧结机理的不同，无压烧结又可分为固 的β-SiC可通过添加B和C进行常压烧结，这相烧结和液相烧结。对含有微量SiO 2 种方法可明显改善SiC的烧结动力学。掺杂适量的B，烧结过程中B处于SiC晶界上，部分与SiC形成固溶体，从而降低了SiC的晶界能。掺杂适量的游离C对固相烧结 生成，加入的适量C有助于使SiC表有利，因为SiC表面通常会被氧化有少量SiO 2 面上的SiO 膜还原除去，从而增加了表面能。然而#对液相烧结会产生不利影响， 2 因为C会与氧化物添加剂反应生成气体，在陶瓷烧结体内形成大量的开孔,影响致密化进程。SiC的烧结工艺中，原料的纯度、细度、相组成十分重要。S.Proehazka 通过在超细β-SiC粉体（含氧量小于2%）中同时加入适量B和C的方法，在2020℃下常压烧结成密度高于98%的SiC烧结体。但SiC-B-C系统属于固相烧结的范畴，需要的烧结温度较高，并且断裂韧性较低，断裂模式为典型的穿晶断裂，晶粒粗大且均匀性差。国外对SiC的研究焦点主要集中于液相烧结上，即以一定数量的
碳化硅陶瓷
碳化硅陶瓷 碳化硅陶瓷具有密度小．弹性模量大，热导率高，热膨胀系数低．抗热震性好，抗氧化性好，高温强度大，耐腐蚀等独特性能，这使得它有广泛的应用：其一，它可用于高温结构材料如发动机部件汽轮机叶片；其二，它可用于航空航天领域中的结构材料．由于它的高弹性模量和低密度决定了它具有很高的比刚度；其三，一些碳化硅陶瓷还可用于电子封装材料，由于它的热膨胀系数可以与S i ，G a A s相匹配；其四，由于碳和硅具有较低的原子序数，碳化硅可以用作原子反应堆的结构材料。 1 碳化硅陶瓷的烧结方法 SiC由于其共价键结合的特点，烧结时的扩散速率相当低，据J ．D．H o n g等的研究结果，即使在21 0 0 ℃的高温， C和 Si 的自扩散系数也仅为1.5×1 0 -10和 2 .5×1 0-13c m2／s 。所以 SiC 很难采取通常离子键结合材料所用的单纯化合物常压烧结途径来制取高致密化材料，必须采用一些特殊的工艺手段或依靠第二相物质促进其烧结。目前制备 S i C陶瓷的主要方法有无压烧结、热压烧结、热等静压烧结、反应烧结等。 1 ． 1 无压烧结 无压烧结被认为是 S i C烧结最有前途的烧结方法，通过无压烧结工艺可以制备出复杂形状和大尺寸的 SiC部件。根据烧结机理的不同，无压烧结又可分为固相烧结和液相烧结。对含有微量 SiO2的β—S i C可通过掭加B和C进行常压烧结，这种方法可明显改
善S i C的烧结动力学。掺杂适量的B，烧结过程中B处于SiC晶界上，部分与SiC形成固溶体，从而降低了SiC的晶界能。掺杂适量的游离C对固相烧结有利，因为 S iC表面通常会被氧化有少量SiO2生成，加入的适量C有助于使 S i C表面上的 SiO2膜还原除去，从而增加了表面能。然而C对液相烧结会产生不利影响，因为C会与氧化物添加剂反应生成气体，在陶瓷烧结体内形成大量的开孔，影响致密化进程。SiC的烧结工艺中，原料的纯度、细度、相组成十分重要。S . Proehazka通过在超细β—SiC粉体(含氧量小于0. 2％) 中同时加人适量 B和C的方法，在 20 2 0 ℃下常压烧结成密度高于 9 8 ％的 SiC烧结体。但 S i C—B—C 系统属于固相烧结的范畴，需要的烧结温度较高，并且断裂韧性较低，断裂模式为典型的穿晶断裂，晶粒粗大且均匀性差。 国外对 S i C的研究焦点主要集中于液相烧结上，即以一定数量的烧结助剂，在较低的温度下实现SiC致密化。SiC的液相烧结相对于固相烧结，不仅烧结温度有所降低，微观结构也改善了，因而烧结体的性能也较固相烧结体有所提高。 1 . 2 热压烧结 SiC的共价键很强，致使烧结时的体积和晶界扩散速率相当低；SiC晶粒表面的 SiO2薄膜，同时也起到了扩散势垒的作用。因此不使用添加剂或高压力，将SiC烧结到高的密度是相当困难的。J.S. Nadeau指出，不添加任何烧结助剂，纯SiC只有在极高的温度(2500℃)下才能烧结致密，于是不少人对SiC实行热压烧结工艺。关于添加烧
碳化硅陶瓷
太原工业学院 2015/2016学年第一学期 《特种陶瓷》课程论文 题目：碳化硅陶瓷的工艺与发展方向 班级： 122073219 姓名：刘鑫泽 学号： 19
1 前言 随着科技的发展，人们迫切需要开发各种新型高性能结构材料。碳化硅陶瓷由于具有多种良好的的性能，已经在许多领域大显身手，并且已经收到人们的高度重视。 2 晶体结构 SiC是共价键很强的化合物，SiC中 Si-C键的离子性仅12%左右。 SiC具有α和β两种晶型。β- SiC的晶体结构为闪锌矿晶体结构立方晶系，Si和 C 分别组成面心立方晶格；α-SiC纤锌矿型结构，六方晶系。存在着4H、15R和6H等100余种多型体，其中， 6H多型体为工业应用上最为普遍的一种。在温度低于1600℃时，SiC以β-SiC形式存在。当高于1600℃时，β- SiC缓慢转変成α-SiC的各种多型体。4H- SiC在2000℃左右容易生成；15R和6H多型体均需在2100℃以上的高温才易生成；对于6H- SiC，即使温度.超过2200℃，也是非常稳定的。SiC中各种多型体之间的自由能相差很小，因此，微量杂质的固溶也会引起多型体之间的热稳定关系变化。[1] 3 性能与应用 3.1 性能 (1)SiC陶瓷化学稳定性好、抗氧化性强。 (2)硬度高，耐磨性能好。 (3)SiC具有宽的能带间隙。 (4)优良的导电性。 (5)热稳定性好，高温强度大。 (6)热膨胀系数小、热导率大以及抗热振和耐化学腐蚀等。[4] 3.2 应用 碳化硅的最大特点是高温强度高，有很好的耐磨损、耐腐蚀、抗蠕变性能，其热传导能力很强，仅次子氧化铍陶瓷。碳化硅陶瓷用于制造火箭喷嘴、浇注金属的喉管、热电偶套管、炉管、燃气轮机叶片及轴承、泵的密封圈、拉丝成型模
碳化硅陶瓷的发展情况
碳化硅陶瓷的发展情况 随着科学技术的发展，特别是能源、空间技术的高度发展，经常要求材料必须有耐高温、抗腐蚀、耐磨损等优越性能，才能在比较苛刻的工作环境中使用。由于特种陶瓷材料具有抗氧化性强、耐磨性能好、硬度高、热稳定性好、高温强度大、热膨胀系数小、热导率大以及抗热震和耐化学腐蚀等优良特性，已成为尖端科学的重要组成部分，受到普遍重视。 碳化硅陶瓷是近二十几年才开始发展的新材料，但由于其具有特别优良的高强度、高硬度、耐腐蚀、耐高温性能，很快得到了开发应用，大量应用于石油化工、冶金机械、航空航天、微电子、汽车、钢铁等领域，并日益显示出其他特种陶瓷所无法比拟的优点。 碳化硅(SiC)陶瓷具有高温强度大、抗氧化性强、耐磨损性好、热稳定性佳、热膨胀系数小、热导率大、硬度高以及抗热震和耐化学腐蚀等优良特性，因此，已经在许多领域大显身手，并日益受到人们的重视。例如，SIC陶瓷在石油化学工业中已被广泛地用作各种耐腐蚀用容器及管道;在机械工业中已被成功地用作各种轴承、切削刀具和机械密封部件;在宇航和汽车工业中也被认为是未来制造燃气轮机、火箭喷嘴和发动机部件的最有希望的候选材料。 由于碳化硅陶瓷的高性能和在工业领域中的广泛应用，SiC的烧结一直是材料界研究的热点，如何采用较简单的生产工艺在较低的温度下制备得到高致密度的碳化硅陶瓷制品也是研究者一直关心的课题；但由于碳化硅是一种共价性极强的共价键化合物，即使在2100℃的高温下，C和Si的自扩散系数也仅为1.5×10-10和2.5×10-13 cm2/s。所以SiC很难烧结，必须借助烧结助剂或外部压力才可能在2000℃以下实现致密化。 1、无压烧结 常压烧结被认为是SiC烧结最有前途的烧结方法,通过常压烧结工艺可以制备出大尺寸和复杂形状的SiC陶瓷制品。美国GE公司通过在含微量氧(含氧量小于0.2%)高纯度的β- SiC中添加硼和碳,在2000℃以上,惰性气氛中烧结,在2020℃下成功得到密度高于98 %的碳化硅烧结体。中科院上海硅酸盐研究所采用
碳化硅陶瓷工艺流程
碳化硅（SiC）陶瓷，具有抗氧化性强，耐磨性能好，硬度高，热稳定性好，高温强度大，热膨胀系数小，热导率大以及抗热震和耐化学腐蚀等优良特性。因此，已经在石油、化工、机械、航天、核能等领域大显身手，日益受到人们的重视。例如，SiC陶瓷可用作各类轴承、滚珠、喷嘴、密封件、切削工具、燃汽涡轮机叶片、涡轮增压器转子、反射屏和火箭燃烧室内衬等等。 SiC陶瓷的优异性能与其独特结构密切相关。SiC是共价键很强的化合物，SiC中Si-C键的离子性仅12％左右。因此，SiC强度高、弹性模量大，具有优良的耐磨损性能。纯SiC 不会被HCl、HNO3、H2SO4和HF等酸溶液以及NaOH等碱溶液侵蚀。在空气中加热时易发生氧化，但氧化时表面形成的SiO2会抑制氧的进一步扩散，故氧化速率并不高。在电性能方面，SiC具有半导体性，少量杂质的引入会表现出良好的导电性。此外，SiC还有优良的导热性。 SiC具有α和β两种晶型。β－SiC的晶体结构为立方晶系，Si和C分别组成面心立方晶格；α－SiC存在着4H、15R和6H等100余种多型体，其中，6H多型体为工业应用上最为普遍的一种。在SiC的多种型体之间存在着一定的热稳定性关系。在温度低于1600℃时，SiC以β－SiC形式存在。当高于1600℃时，β－SiC缓慢转变成α－SiC的各种多型体。4H－SiC在2000℃左右容易生成；15R和6H多型体均需在2100℃以上的高温才易生成；对于6H－SiC，即使温度超过2200℃，也是非常稳定的。SiC中各种多型体之间的自由能相差很小，因此，微量杂质的固溶也会引起多型体之间的热稳定关系变化。 现就SiC陶瓷的生产工艺简述如下： 一、SiC粉末的合成： SiC在地球上几乎不存在，仅在陨石中有所发现，因此，工业上应用的SiC粉末都为人工合成。目前，合成SiC粉末的主要方法有： 1、Acheson法： 这是工业上采用最多的合成方法，即用电将石英砂和焦炭的混合物加热至2500℃左右高温反应制得。因石英砂和焦炭中通常含有Al和Fe等杂质，在制成的SiC中都固溶有少量杂质。其中，杂质少的呈绿色，杂质多的呈黑色。 2、化合法： 在一定的温度下，使高纯的硅与碳黑直接发生反应。由此可合成高纯度的β－SiC粉末。 3、热分解法： 使聚碳硅烷或三氯甲基硅等有机硅聚合物在1200～1500℃的温度范围内发生分解反应，由此制得亚微米级的β－SiC粉末。
SPS制备碳化硅陶瓷的研究
第17卷第3期2007年6月 粉末冶金工业 POW DER ME T AL LURG Y INDUS TRY Vol.17N o.3 Jun.2007 收稿日期:2007-01-06 基金项目:国家自然基金项目(50404012) 作者简介:赵珍(1982-),女(汉),山西省灵石县人,硕士研究生,主要从事碳化硅和氮化硅陶瓷的放电等离子烧结(SPS)工艺的研究。 SPS 制备碳化硅陶瓷的研究 赵 珍,何新波,曲选辉,张 勇 (北京科技大学材料科学与工程学院,北京 100083) 摘 要:本文用放电等离子烧结(SPS)的方法制备了SiC 陶瓷,研究了SPS 烧结温度、压力和保温时间对烧结试样力学性能的影响。结果表明,随着烧结温度的升高,烧结试样的密度和硬度增加,当温度超过1600 后,密度和硬度不再增加,反而有稍微的下降,而断裂韧度和弯曲强度则随温度的升高而提高;随着压力的增大和保温时间的延长,样品的致密度和力学性能均提高。当温度为1700 、压力为50MPa 、保温时间为5min 时,烧结样品的密度达3.280g/cm 3,维氏硬度达25.0GPa,断裂韧度达8.34MPa m 1/2 、弯曲强度达684MPa 。关键词:碳化硅陶瓷;放电等离子烧结;力学性能中图分类号:TB383 文献标识码:A 文章编号:1006-6543(2007)03-0028-05 PREPARATION OF SILICON CARBIDE BY SPARK PLASMA SINTERING ZHAO Zhen,HE Xin bo,QU X uan hui,ZHA NG Yo ng ((School of M ater ials Science and Engineering ,U niversity of Science and Technolog y of Beijing,Beijing 100083,China) Abstract:The silicon carbide ceramic was prepared by Spark Plasma Sintering(SPS).The effects of sintering temperature,time and pressure on density and mechanical properties of sintered products w ere studied.The result show ed that w ith the increase of sintering temperature the density and hardness of the product increases at first and decreases slightly after the temperature is over 1600 ,w hile bending stress and fracture toughness increase gradually.H owever,w ith the increase of pres sure and time the mechanical properties of product increase.When the temperature w as 1700 ,the pressure w as 50MPa,the dwelling time was 5min,the product with density of 3.280g/cm 3,hard ness of 25GPa,fracture toughness of 8.34MPa m 1/2 ,bending stress of 684MPa was obtained.Key words:silicon carbide ceramic,Spark Plasma Sintering (SPS),mechanical properties SiC 陶瓷由于具有高硬度、高强度、耐高温、耐化学腐蚀、高热导率等性能,被广泛应用于各个工业领域 [1~3] 。但由于SiC 是一种共价键性很强的化合物, 其熔点很高、自扩散系数极小,烧结性很差,所以在传 统的烧结工艺(无压烧结或热压烧结)条件下,如果不加入适当的助烧剂,纯SiC 是很难烧结致密的[4]。即使在引入适当助烧剂的情况下,SiC 陶瓷的无压烧结温度和热压烧结温度亦分别高达2100 和2050 。这样,很容易导致SiC 粗晶的生成,从而降低SiC 陶 瓷的力学性能。 为了克服SiC 陶瓷无压烧结工艺和热压烧结工艺所存在的这些缺陷,人们采用了放电等离子烧结 (Spark Plasma Sintering:SPS),它产生的高能电火花可以在较低的温度和较短的时间内完成试样的烧结过程。Tamari N [5,6]等人利用SPS 以Al 2O 3、Y 2O 3和硼、碳为助烧剂,对SiC 粉末烧结情况进行了研究,并制备得到了致密度很高的SiC 试样。与普通热压烧结方法制备得到的试样相比,其性能有较大提高。本
碳化硅陶瓷防弹陶瓷的理解及应用第三部分
碳化硅陶瓷防弹陶瓷的理解及应用 摘要：通过可以作为防弹护甲的材料进行比较，一步步揭示出如今最符合现代化战争需要的高性能防弹护甲——碳化硅陶瓷防弹护甲，一一介绍出它相对于其他防弹护甲材料的优越性能，但由于该护甲也具有自身缺陷，所以通过理论上的知识来人为的改变其生产过程等方法来增强碳化硅防弹陶瓷的性能，使其成为现代化战争中真正的无敌护甲。 关键词：碳化硅陶瓷；防弹护甲；抗弹性能；应用 引言：由于国内外软质防弹衣只能防护低速的子弹，对于步枪等发射的高速子弹或者某些钢芯弹头，只能采用以软质防弹衣为基础，在重点部位加插硬质护板的方式来抵御。目前硬质护板中只有陶瓷复合板符合现在重量、性能、价格方面符合大家的要求，其中的碳化硅陶瓷抗氧化性强、耐磨性能好、硬度高、热稳定性好、高温强度高、热膨胀系数小、热导率大以及抗热震和耐化学腐蚀等优良特性，受到了各国军事专家的亲睐，并被广泛应用，但是其韧性低这一致命缺点亟待解决，不过在理论上是可以通过控制烧结过程、通过陶瓷纤维编制来弥补这个弱点。从而使碳化硅防弹陶瓷成为最理想的防弹护甲。 2.1碳化硅的硬度和韧性 SiC的硬度相当高，莫氏刻痕硬度为9.2，克氏显微硬度为2200~2800kg/mm2(负荷100g)。所给范围之所以如此大，这是因为SiC晶体的硬度与其晶轴方向有关。SiC的热态硬度虽然随着温度的升高而下降， SiC的抗压强度为224MPa，SiC的抗弯强度为15.5MPa。SiC颗粒的韧性，通常是用—定数量某种粒度SiC颗粒在定型模子中，施加规定压力之后未被压碎的颗粒所占百分率来反映的，它受颗粒形状等许多因素的影响。 2.2 SiC的热学性质 SiC是在高温下合成的，其制品也多是在高温下制备或者在高温下使用。如果只作较粗略计算时，碳化硅的平均热膨胀系数在25~1400℃范围内可以取4.4×10-6/℃。SiC的热膨胀系数测定结果表明：其量值与其他磨料及高温材料相比要小得多，如刚玉的热膨胀系数可高达(7~8)×10-6/℃。SiC的导热系数很高，这是SiC物理性能方面的另一个重要特点。它的导热系数比其他耐火材料及磨料要大的多，约为刚玉导热系数的4倍。所以，SiC所具有的低热膨胀系数和高导热系数，使其制品在加热及冷却过程中受到的热应力较小，这就是SiC 陶瓷抗热震性特别好的原因。 3. 改变碳化硅防弹陶瓷的理论方法 3.1增强其抗弯强度，在生产环节方面，如今的烧结方法有热压碳化硅、常压烧结碳化硅、反应烧结碳化硅。我们应该采用热压烧结碳化硅方法，因为其烧结出来的碳化硅陶瓷抗弯强
碳化硅的应用
无机固体材料学 课程论文 题目：碳化硅的性能与应用前景 院 系 化学与化学工程学院 专 业 化学师范专升本 姓 名 刘 倩
碳化硅陶瓷的性能与应用前景 摘要 碳化硅陶瓷不仅具有抗氧化性强，耐磨性好，硬度高，热稳定性好，热膨胀系数小，等优良特性，而且广泛的应用也多个领域中。碳化硅是一种典型共价键结合化合物，具有高硬度、耐磨等特性，广泛应用于航空、机械、汽车、冶金、化工、电子等领域。本文主要是对碳化硅陶瓷的性能，市场前景，应用范围进行讨论，并讨论起发展趋势。 关键词：碳化硅性能高硬度耐磨性
一．碳化硅的基本结构及其性质 1.1碳化硅结构 碳化硅是一种典型的共价键结合的稳定化合物。从理论上讲,碳化硅均由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 - Si C、4H - SiC、15R- Si C 等,所有这些结构可分为方晶系、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- 射线衍射检测技术可对SiC 显微体进行多型体分析和定量测定。为了区别各种不同的结构,需要有相应的命名方法。命名方法常用的是:把低温类型的立方碳化硅叫做β—SiC,而其余六方的、菱形的晶胞结构一律称为α—SiC。这种命名方法与相律惯例以及矿物学命名都不相符,但因其很方便,也就颇为流行。 1.2碳化硅化学性质 碳化硅本身很容易氧化,但它氧化之后形成了一层二氧化硅薄膜,氧化进程逐步被阻碍。在空气中,碳化硅于800 ℃时就开始氧化,但很缓慢;随着温度升高,则氧化速度急速加快。碳化硅的氧化速率,在氧气中比在空气中快1. 6倍;氧化速率的速度随着时间推移而减慢。如果以时间推移对氧化的数量描图,可以得到典型的抛物线图形. 这反映出二氧化硅保护层对碳化硅氧化速率的阻碍作用。氧化时,若同时存在着能将二氧化硅薄膜移去或使之破裂的物质,则碳化硅就易被进一步氧化。例如:铁、锰等金属有几种化合价,其氧化物能将碳化硅氧化,并且又能与二氧化硅生成低熔点化合物,能侵蚀碳化硅。例如,FeO在1300 ℃、MnO 在1360 ℃能侵蚀碳化硅;而CaO、MgO 在1000 ℃就能侵蚀碳化硅[1]。 二．碳化硅的特点及其性能 2.1磨料 由于其超硬性能,可制备成各种磨削用的砂轮、砂布、砂纸以及各类磨料,广泛应用于机械加工行业。我国工业碳化硅主要作磨料用,黑色碳化硅制成的磨具,多用于切割和研磨抗张强度低的材料,如玻璃、陶瓷、石料和耐火物等,同时也用于铸铁零件和有色金属材料的磨削。绿色碳化硅制成的磨具,多用于硬质合金、钛合金、光学玻璃的磨削,同时也用于缸套 的珩磨及高速钢刀具的精磨。立方碳化硅专用于微型轴承的超精磨,采用W3. 5立方碳化硅