碳化硅陶瓷

碳化硅陶瓷

摘要：碳化硅陶瓷由于抗氧化性强，耐磨性好，硬度高，热稳定性好，热膨胀系数小，等优良特性，所以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、抗氧化等特性，广泛应用于航空、机械、汽车、冶金、化工、电子等领域。按烧工艺划分，碳化硅可以划分为重结晶碳化硅陶瓷、反应烧结碳化硅陶瓷、无压烧结碳化硅陶瓷、热压烧结碳化硅陶瓷、高温热等静压烧结碳化硅陶瓷以及化学气相沉积碳化硅。各种工艺制备的碳化硅性能有较大的差别，因此可以利用各种不同的工艺制备，制造。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：碳化硅制备工艺性能高硬度耐磨性

研究背景及其碳化硅材料

（一）碳化硅具有优良的特性

其分子式为SiC，其硬度介于刚玉和金刚石之间，机械强度高于刚玉，可作为磨料和其他某些工业材料使用。工业用碳化硅于1891年研制成功，是最早的人造磨料。在陨石和地壳中虽有少量碳化硅存在，但迄今尚未找到可供开采的矿源。

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。

碳化硅的工业制法是用优质石英砂和石油焦在电阻炉内炼制。炼得的碳化硅块，经破碎、酸碱洗、磁选和筛分或水选而制成各种粒度的产品。

碳化硅有黑碳化硅和绿碳化硅两个常用的基本品种，都属α-SiC。

①黑碳化硅含SiC约98.5％，其韧性高于绿碳化硅，大多用于加工抗张强度低的材料，如玻璃、陶瓷、石材、耐火材料、铸铁和有色金属等。②绿碳化硅含SiC99％以上，自锐性好，大多用于加工硬质合金、钛合金和光学玻璃，也用于珩磨汽缸套和精磨高速钢刀具。此外还有立方碳化硅，它是以特殊工艺制取的黄绿色晶体，用以制作的磨具适于轴承的超精加工，可使表面粗糙度从Ra32～0.16微米一次加工到

Ra0.04～0.02微米。

碳化硅由于化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好，除作磨料用外，还有很多其他用途，例如：以特殊工艺把碳化硅粉末涂布于水轮机叶轮或汽缸体的内壁，可提高其耐磨性而延长使用寿命1～2倍；用以制成的高级耐火材料，耐热震、体积小、重量轻而强度高,节能效果好。低品级碳化硅（含SiC约85％）是极好的脱氧剂，用它可加快炼钢速度，并便于控制化学成分，提高钢的质量。此外，碳化硅还大量用于制作电热元件硅碳棒。

碳化硅的硬度很大，具有优良的导热性能，是一种半导体，高温时能抗氧化。

作用：

（1)作为磨料，可用来做磨具，如砂轮、油石、磨头、砂瓦类等。(2)作为冶金脱氧剂和耐高温材料。

碳化硅主要有四大应用领域,即: 功能陶瓷、高级耐火材料、磨料及冶金原料。目前碳化硅粗料已能大量供应, 不能算高新技术产品,而技术含量极高的纳米级碳化硅粉体的应用短时间不可能形成规模经济。

(3)高纯度的单晶，可用于制造半导体、制造碳化硅纤维。

（二）研究与发展。

结构陶瓷是主要发挥材料机械，热，化学，等效能的一类先进陶瓷，又称工程陶瓷。结构陶瓷具有耐高温，耐磨损，耐腐蚀，抗氧化，高温下蠕变小等性能，可以承受金属材料和高分子材料难以胜任的严酷工作环境，广泛应用于航空、机械、汽车、冶金、化工、电子等领域，成为发展极为迅速的一类陶瓷材料。结构陶瓷主要有氧化物陶瓷、氮化物陶瓷和碳化物陶瓷等。下面主要介绍碳化硅陶瓷。

碳化硅俗称金刚砂，又称碳硅石，是一种典型的共价键的化合物，自然界几乎不存在。1890年Eword和G.Acheson在碳中加硅作为催化剂想合成金刚石时，制备了碳化硅。知道今天，它还在继续得到研究与发展。

碳化硅最初应用是由于其超硬性能，可制备成各种磨削用的砂轮、砂布、砂纸以及各类磨料，而广泛地用于机械加工行业。第二次世界大战中又发现它还可以作为炼钢时的还原剂以及加热元件，从而促使它快速发展。随着人们研究的深入，又发现它还有许多优良性能，诸如，它的高温稳定性、高热传导性、耐酸碱腐蚀性、低膨胀系数、抗热震性好等。

碳化硅主要有两种结晶形态，即：立方晶系的β-SIC4和六方晶系的α-SIC。碳化硅晶格的基本结构单元是相互穿插的SIC4和CSI4四面体。四面体共边形成平面层，并以顶点与下一叠层四面体相连形

成三维机构。由于四面体堆积次序的不同可形成不同的结构，至今已发现几百种变体。一般采用简明直观的符号，即字母C、H、R来表示其晶格类型，并用单位晶胞中所含的层数以示区别。虽然这些多形体的晶格常数各不相同，但它体内的物质无明显变化。SIC是一种典型的供价化合物，但也有部分离子型。由理论计算，SI-C键总能量的78%属于共价态，而22%属于离子态。由于S和C原子较小，键长短，共价性强，这就决定了碳化硅的高硬度、一定的机械强度和难于烧结等一系列特点。

碳化硅是一种典型的共价键结合的稳定化合物，加上它的扩散系数低，很难用常规的烧结方法来致密化，必须通过添加一些烧结助剂以讲的表面能或增加表面积以及采用特殊工艺来获得致密的碳化硅陶瓷。按烧工艺划分，碳化硅可以划分为重结晶碳化硅陶瓷、反应烧结碳化硅陶瓷、无压烧结碳化硅陶瓷、热压烧结碳化硅陶瓷、高温热等静压烧结碳化硅陶瓷以及化学气相沉积碳化硅。各种工艺制备的碳化硅性能有较大的差别，即使用同一工艺制备的SIC，由于采用的原料和添加剂不同，其性能差较大。

（1）反应烧结碳化硅陶瓷：反应碳化硅陶瓷的制备工艺较为简单，它直接采用一定颗粒级配的碳化硅，与碳混合后成型生胚，然后在高温下进行渗碳，部分硅与碳反应生成SIC与原来胚体中的SiC结合，达到烧结目的，渗碳的方法有两种：一种是温度达到硅的熔融温度，产生硅的熔融温度，产生硅的蒸气，通过硅蒸汽渗入胚体达到烧结目的。用该工艺制备的SiC烧结体的生产成本较低。但是，该工艺