碳化硅陶瓷材料具有高溫強度大，高溫抗氧化性強，耐磨損性能好，熱穩(wěn)定性，熱彭脹系數(shù)小，熱導(dǎo)率大，硬度高，抗熱震和耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)良特性。在汽車、機械化工、環(huán)境保護、空間技術(shù)、信息電子、能源等領(lǐng)域有著日益廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)成為一種在很多工業(yè)領(lǐng)域性能優(yōu)異的其他材料不可替代的結(jié)構(gòu)陶瓷。

 

SiC陶瓷的優(yōu)異性能與其獨特結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。SiC是共價鍵很強的化合物，SiC中Si-C鍵的離子性僅12％左右。因此，SiC強度高、彈性模量大，具有優(yōu)良的耐磨損性能。純SiC不會被HCl、HNO3、H2SO4和HF等酸溶液以及NaOH等堿溶液侵蝕。在空氣中加熱時易發(fā)生氧化，但氧化時表面形成的SiO2會抑制氧的進一步擴散，故氧化速率并不高。在電性能方面，SiC具有半導(dǎo)體性，少量雜質(zhì)的引入會表現(xiàn)出良好的導(dǎo)電性。此外，SiC還有優(yōu)良的導(dǎo)熱性。

 

iC具有α和β兩種晶型。β－SiC的晶體結(jié)構(gòu)為立方晶系，Si和C分別組成面心立方晶格；α－SiC存在著4H、15R和6H等100余種多型體，其中，6H多型體為工業(yè)應(yīng)用上最為普遍的一種。在SiC的多種型體之間存在著一定的熱穩(wěn)定性關(guān)系。在溫度低于1600℃時，SiC以β－SiC形式存在。當(dāng)高于1600℃時，β－SiC緩慢轉(zhuǎn)變成α－SiC的各種多型體。4H－SiC在2000℃左右容易生成；15R和6H多型體均需在2100℃以上的高溫才易生成；對于6H－SiC，即使溫度超過2200℃，也是非常穩(wěn)定的。SiC中各種多型體之間的自由能相差很小，因此，微量雜質(zhì)的固溶也會引起多型體之間的熱穩(wěn)定關(guān)系變化。

 SiC陶瓷的生產(chǎn)工藝簡述如下：

碳化硅粉體的制備技術(shù)就其原始原料狀態(tài)分為固相合成法和液相合成法。

       

       固相法主要有碳熱還原法和硅碳直接反應(yīng)法。碳熱還原法又包括阿奇遜法、豎式爐法和高溫轉(zhuǎn)爐法。阿奇遜法首先由Acheson發(fā)明,是在Acheson電爐中,石英砂中的二氧化硅被碳所還原制得SiC,實質(zhì)是高溫強電場作用下的電化學(xué)反應(yīng),己有上百年大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的歷史,這種工藝得到的SiC顆粒較粗。此外,該工藝耗電量大,其中用于生產(chǎn),為熱損失。

       20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的法對古典Acheson法進行了改進,80年代出現(xiàn)了豎式爐、高溫轉(zhuǎn)爐等合成β一SiC粉的新設(shè)備,90年代此法得到了進一步的發(fā)展。Ohsakis等利用SiO2與Si粉的混合粉末受熱釋放出的SiO氣體,與活性炭反應(yīng)制得日一,隨著溫度的提高及保溫時間的延長,放出的SiO氣體,粉末的比表面積隨之降低。

       硅、碳直接反應(yīng)法是對自蔓延高溫合成法的應(yīng)用,是以外加熱源點燃反應(yīng)物坯體,利用材料在合成過程中放出的化學(xué)反應(yīng)熱來自行維持合成過程。除引燃外無需外部熱源,具有耗能少、設(shè)備工藝簡單、生產(chǎn)率高的優(yōu)點,其缺點是目發(fā)反應(yīng)難以控制。此外硅、碳之間的反應(yīng)是一個弱放熱反應(yīng),在室溫下反應(yīng)難以點燃和維持下去,為此常采用化學(xué)爐、將電流直接通過反應(yīng)體、對反應(yīng)體進行預(yù)熱、輔加電場等方法補充能量。

       

      

        液相法主要有溶膠一凝膠法和聚合物分解法。Ewell年等首次提出溶膠一凝膠法法,而真正用于陶瓷制備則始于1952年左右。該法以液體化學(xué)試劑配制成的醇鹽前驅(qū)體,將它在低溫下溶于溶劑形成均勻的溶液,加入適當(dāng)凝固劑使醇鹽發(fā)生水解、聚合反應(yīng)后生成均勻而穩(wěn)定的溶膠體系,再經(jīng)過長時間放置或干燥處理,濃縮成Si和C在分子水平上的混合物或聚合物,繼續(xù)加熱形成混合均勻且粒徑細(xì)小的Si和C的兩相混合物,在1460一1600℃左右發(fā)生碳還原反應(yīng)最終制得SiC細(xì)粉。控制溶膠一凝膠化的主要參數(shù)有溶液的pH值、溶液濃度、反應(yīng)溫度和時間等。該法在工藝操作過程中易于實現(xiàn)各種微量成份的添加,混合均勻性好；但工藝產(chǎn)物中常殘留羥基、有機溶劑對人的身體有害,原料成本高且處理過程中收縮量大是其不足。

有機聚合物的高溫分解是制備碳化硅的有效技術(shù)：

       一類是加熱凝膠聚硅氧烷發(fā)生分解反應(yīng)放出小單體,最終形成SiO2和C,再由碳還原反應(yīng)制得SiC粉。

       另一類是加熱聚硅烷或聚碳硅烷放出小單體后生成骨架,最終形成SiC粉末。

當(dāng)前運用溶膠一凝膠技術(shù)把SiO2制成以SiO2為基的氫氧衍生物的溶膠/凝膠材料,保證了燒結(jié)添加劑與增韌添加劑均勻分布在凝膠之中,為形成高性能的碳化硅陶瓷粉末提供了條件。

       

       無壓燒結(jié)被認(rèn)為是SiC燒結(jié)最有前途的燒結(jié)方法，根據(jù)燒結(jié)機理的不同，無壓燒結(jié)又可分為固相燒結(jié)和液相燒結(jié)。S.Proehazka通過在超細(xì)β-SiC粉體（含氧量小于2%）中同時加入適量B和C的方法，在2020℃下常壓燒結(jié)成密度高于98%的SiC燒結(jié)體。A.Mulla等以Al2O3和Y2O3為添加劑在1850-1950℃燒結(jié)0.5μm的β-SiC(顆粒表面含有少量SiO2)，獲得的SiC陶瓷相對密度大于理論密度的95%，并且晶粒細(xì)小，平均尺寸為1.5μm。

      

 

      Nadeau指出，不添加任何燒結(jié)助劑，純SiC只有在極高的溫度下才能燒結(jié)致密，于是不少人對SiC實行熱壓燒結(jié)工藝。關(guān)于添加燒結(jié)助劑對SiC進行熱壓燒結(jié)的報道已有許多。Alliegro等研究了B、Al、Ni、Fe、Cr等金屬添加物對SiC致密化的影響，發(fā)現(xiàn)Al和Fe是促進SiC熱壓燒結(jié)最有效的添加劑。F.F.Lange研究了添加不同量Al2O3對熱壓燒結(jié)SiC的性能影響，認(rèn)為熱壓燒結(jié)致密是靠溶解--再沉淀機理。但是熱壓燒結(jié)工藝只能制備形狀簡單的SiC部件，而且一次熱壓燒結(jié)過程中所制備的產(chǎn)品數(shù)量很小，因此不利于工業(yè)化生產(chǎn)。

熱等靜壓燒結(jié)

       為了克服傳統(tǒng)燒結(jié)工藝存在的缺陷，Duna以B和C為添加劑，采用熱等靜壓燒結(jié)工藝，在1900℃便獲得了密度大于98%、室溫抗彎強度高達600MPa左右的細(xì)晶SiC陶瓷。盡管熱等靜壓燒結(jié)可獲得形狀復(fù)雜的致密SiC制品，并且制品具有較好的力學(xué)性能，但是HIP燒結(jié)必須對素坯進行包封，所以很難實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

       

       反應(yīng)燒結(jié)S iC又稱自結(jié)合SiC，是通過多孔坯件同氣相或液相發(fā)生化學(xué)反應(yīng),使坯件質(zhì)量增加,孔隙減小,并燒結(jié)成具有一定強度和尺寸精度的成品的工藝。是由α—SiC粉和石墨按一定比例混臺成坯體后，并加熱到1650 ℃左右，同時熔滲 Si或通過氣相Si滲入坯體，使之與石墨起反應(yīng)生成β—SiC，把原先存在的α—SiC顆粒結(jié)合起來。如果滲Si完全，就可得到完全致密、無尺寸收縮的反應(yīng)燒結(jié)體。同其它燒結(jié)工藝比較,反應(yīng)燒結(jié)在致密過程中的尺寸變化小,可以制造尺寸精確的制品，但燒結(jié)體中相當(dāng)數(shù)量SiC的存在，使得反應(yīng)燒結(jié)的SiC陶瓷高溫性能較差。

       采用無壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)和反應(yīng)燒結(jié)的SiC陶瓷具有各異的性能特點。如就燒結(jié)密度和抗彎強度來說，熱壓燒結(jié)和熱等靜壓燒結(jié)SiC陶瓷相對較多，反應(yīng)燒結(jié)SiC相對較低。另一方面，SiC陶瓷的力學(xué)性能還隨燒結(jié)添加劑的不同而不同。無壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)和反應(yīng)燒結(jié)SiC陶瓷對強酸、強堿具有良好的抵抗力，但反應(yīng)燒結(jié)SiC陶瓷對HF等超強酸的抗蝕性較差。就耐高溫性能比較來看，當(dāng)溫度低于900℃時，幾乎所有SiC陶瓷強度均有所提高；當(dāng)溫度超過1400℃時，反應(yīng)燒結(jié)SiC陶瓷抗彎強度急劇下降。（這是由于燒結(jié)體中含有一定量的游離Si，當(dāng)超過一定溫度抗彎強度急劇下降所致）對于無壓燒結(jié)和熱等靜壓燒結(jié)的SiC陶瓷，其耐高溫性能主要受添加劑種類的影響。

       SiC陶瓷的4種燒結(jié)方式各有千秋，但是在科技發(fā)展如此迅速的今天，迫切需要提高SiC陶瓷的性能，不斷改進制造技術(shù)，降低生產(chǎn)成本，實現(xiàn)SiC陶瓷的低溫?zé)Y(jié)。以達到降低能耗，降低生產(chǎn)成本，推動SiC陶瓷產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化的目的。

本文信息來源于愛銳網(wǎng)，如有侵權(quán)請聯(lián)系刪除~