碳化硅陶瓷性能及制造工艺?? ????? 碳化硅（）陶瓷，具有抗氧化性强，耐磨性能好，硬度高，耐热性好，高温强度大，热线胀系数小，热导率大以及抗热震和耐非物理性腐蚀等优良特性。因此，已经在石油、化工、机械、航天、核能等领域大显身手，日益受到大家的重视。例如，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。 陶瓷的优异性能与其独特结构紧密关联。是共价键很强的化合物，中-Ｃ键的离子性仅１２％左右。因此，强度高、弹性模量大，具有优良的耐磨损性能。纯不会被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，但氧化时表明产生的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，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，还有优良的导热性。 ?具有α和β两种晶型。β－的晶体结构为立方晶系，和Ｃ分别组成面心立方晶格；α－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。在的多种型体之间有着一定的耐热性关系。在温度不高于１６００℃时，以β－形式存在。当高于１６００℃时，β－缓慢转变成α－的各种多型体。４Ｈ－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－，即使温度超过２２００℃，也是很稳定的。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。 ?现就陶瓷的生产的基本工艺简述如下： 一、粉末的合成： ?在地球上几乎不存在，仅在陨石中有所发现，因此，工业上应用的粉末都为人工合成。目前，合成粉末的主要方法有： 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－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－粉末。 ４、气相反相法： ? 使４和４等含硅的气体以及４、３８、７８和（４等含碳的气体或使３３、（３）２ ２和３４等同时含有硅和碳的气体在高温下发生反应，由此制备纳米级的β－SiC超细粉。 二、碳化硅陶瓷的烧结 １、无压烧结 ? 年美国ＧＥ公司通过在高纯度β－细粉中同时加入少量的Ｂ和Ｃ，采用无压烧结工艺，于℃成功地获得高密度陶瓷。目前，该工艺已成为制备陶瓷的主要方法。美国ＧＥ公司研究者认为：晶界能与表面能之比小于是致密化的热力学条件，当同时添加Ｂ和Ｃ后，Ｂ固溶到中，使晶界能降低，Ｃ把粒子表面的还原除去，提高表面能，因此Ｂ和Ｃ的添加为的致密化创造了热力学方面的有利条件。然而，日本研究人员却认为的致密并不存在热力学方面的限制。还有学者觉得，的致密化机理可能是液相烧结，他们发现：在同时添加Ｂ和Ｃ的β－烧结体中，有富Ｂ的液相存在于晶界处。关于无压烧结机理，目前尚无定论。 ? 以α－为原料，同时添加Ｂ和Ｃ，也同样可实现的致密烧结。 ? 研究表明：单独使用Ｂ和Ｃ作添加剂，无助于陶瓷充分致密。只有同时添加Ｂ和Ｃ时，才能实现陶瓷的高密度化。为了的致密烧结，粉料的比表面积应在１０ｍ２／ｇ以上，且氧含量尽可能低。Ｂ的添加量在％左右，Ｃ的添加量取决于SiC原料中氧含量高低，通常Ｃ的添加量与粉料中的氧含量成正比。 ? 最近，有研究者在亚微米粉料中加入和Ｙ２Ｏ３，在１８５０℃～２０００℃温度下实现ＳｉＣ的致密烧结。由于烧结温度低而具有明显细化的微观结构，因而，其强度和韧性大大改善。 ２、热压烧结 ? ５０年代中期，美国Ｎｏｒｔｏｎ公司就开始研究Ｂ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ａｌ等金属添加物对热压烧结的影响。实验表明：Ａｌ和Ｆｅ是促进热压致密化的最有效的添加剂。 ? 有研究者以为添加剂，通过热压烧结工艺，也实现了ＳｉＣ的致密化，并认为其机理是液相烧结。此外，还有研究者分别以Ｂ４Ｃ、Ｂ或Ｂ与Ｃ，和Ｃ、和Ｙ２Ｏ３、Ｂｅ、Ｂ４Ｃ与Ｃ作添加剂，采用热压烧结，也都获得了致密陶瓷。 ? 研究表明：烧结体的显微结构和力学、热学等性能会因添加剂的种类不同而异。如：当采用Ｂ或Ｂ的化合物为添加剂，热压的晶粒尺寸较小，但强度高。当选用Ｂｅ作添加剂，热压陶瓷具有较高的导热系数。 ３、热等静压烧结： ? 近年来，为进一步提升陶瓷的力学性能，研究人员进行了陶瓷的热等静压工艺的研究工作。研究人员以Ｂ和Ｃ为添加剂，采用热等静压烧结工艺，在１９００℃便获得高密度烧结体。更进一步，通过该工艺，在２０００℃和１３８ＭＰａ压力下，成功实现无添加剂陶瓷的致密烧结。 ? 研究表明：当粉末的粒径小于０．６μｍ时，即使不引入任何添加剂，通过热等静压烧结，在１９５０℃即可使其致密化。如选用比表面积为２４ｍ２／ｇ的超细粉，采用热等静压烧结工艺，在１８５０℃便可获得高致密度的无添加剂陶瓷。 ? 另外，Al是热等静压烧结陶瓷的有效添加剂。而Ｃ的添加对陶瓷的热等静压烧结致密化不起作用，过量的Ｃ甚至会抑制陶瓷的烧结。 ４、反应烧结： ?的反应烧结法最早在美国研究成功。反应烧结的工艺过程为：先将α－粉和石墨粉按比例混匀，经干压、挤压或注浆等方法制作而成多孔坯体。在高温下与液态接触，坯体中的Ｃ与渗入的反应，生成β－，并与α－相结合，过量的填充于气孔，从而得到无孔致密的反应烧结体。反应烧结通常含有８％的游离。因此，为保证渗的完全，素坯应有充足的孔隙度。一般是通过调整最初混合料中α－和Ｃ的含量，α－的粒度级配，Ｃ的形状和粒度以及成型压力等手段来获得适当的素坯密度。 ? 实验表明，采用无压烧结、热压烧结、热等静压烧结和反应烧结的陶瓷具有各异的性能特点。如就烧结密度和抗弯强度来说，热压烧结和热等静压烧结陶瓷相对较多，反应烧结相比来说较低。另一方面，陶瓷的力学性能还随烧结添加剂的不同而不同。无压烧结、热压烧结和反应烧结陶瓷对强酸、强碱拥有非常良好的抵抗力，但反应烧结陶瓷对ＨＦ等超强酸的抗蚀性较差。就耐高温性能比较来看，当温度不高于９００℃时，几乎所有陶瓷强度均有所提高；当温度超过１４００℃时，反应烧结陶瓷抗弯强度急剧下降。（这是由于烧结体中含有一定量的游离，当超过一定温度抗弯强度急剧下降所致）对于无压烧结和热等静压烧结的陶瓷，其耐高温性能主要受添加剂种类的影响。 ? 总之，陶瓷的性能因烧结方法不同而不同。一般说来，无压烧结陶瓷的综合性能优于反应烧结的陶瓷，但次于热压烧结和热等静压烧结的陶瓷。

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