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。

2.4、其它属性

亲水性好。

众所周知, SiC是共价键很强的化合物。按照Pauling对电负性的计算, SiC 中Si一C 键的离子性仅12%左右。因此,SiC 的硬度高、弹性模量大, 具有优良的耐磨损性能。值得指出的是, SiC氧化时, 表面形成的二氧化硅层会抑制氧的进一步扩散, 因而, 其氧化速率并不高。在电性能方面, SiC具有半导体特性, 少量杂质的引入会使其表现出良好的导电性：此外,SiC 还具有优良的导热性。

3碳化硅粉末的合成方法

SiC是在陨石中发现的，在地球上几乎不存在，因此，工业上应用的SiC粉末都是人工合成的。目前，合成SiC粉末的方法主要有【1】：Acheson法、直接化合法、热分解法和气相反应法等。

3.1Acheson法

Acheson法是工业采用最多的合成方法。α-SiC粉末的方法，即用电加热的方法将石英砂和焦炭的混合物加热到2500℃左右的高温使其发生反应：

SiO2 (s) + 3C(s) →α-SiC（s）+ 2CO(g) （1）

在工业生产中, 用于合成的石英砂和焦炭通常含有Al和Fe等金属杂质, 因此, 所得到的SiC一般都固溶有少量的杂质。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。

3.2直接化合法

在一定的温度下, 使高纯的硅与碳黑直接发生反应, 由此可合成出高纯度的硅β-SiC 粉末

Si(s) +C(s)→β-SiC(s) (2)

3.3热分解法

使聚碳硅烷或三氯甲基硅烷等有机硅聚合物在1200℃一1500℃的温度范围内发生分解反应, 由此可合成出亚微米级的β-SiC粉末。

3.4气相反应法

使SiCl4和SiH4 等含硅的气体以及CH4、C7H8和CCl4等含碳的气体或者使CH3SiCl3、(CH3)2SiCI2和Si(CH3)4等同时含有硅和碳的气体在高温下发生反应，由此可合成出纳米级的β-SiC 超细粉。其中，几个有代表性的合成反应为:

7SiCl4(g) +C7H8(g) + 10H2(g)→7β-SiC(s) +28HCL(g) (3)

SiH4(g) +CH4(g)→β-SiC(s) +4H2(g) (4)

CH3SiCl3(g)→β-SiC(s) +3HCl(g) (5)

4碳化硅陶瓷的烧结工艺

前已提及，SiC是强共价键结合的化合物。因而，烧结时的扩散速率相当低。据J. D. Hon 等人【2】的研究结果，即使在2100℃的高温下，C和Si的自扩散系数也很小,所以，SiC 很难烧结，必须借助添加剂或外部压力或渗硅反应才能实现致密化。目前，制备高密度SiC 陶瓷的方法主要有无压烧结、热压烧结、热等静压烧结和反应烧结等。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，因此，被认为是SiC陶瓷的最有的前途的烧结方法。