碳化硅陶瓷及制备工艺

1、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-键的离子性仅左右。因此，SiC强度高、弹性模量大，具有优良的耐磨损性能

2、。纯SiC不会被、和等酸溶液以及等碱溶液侵蚀。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具有和两种晶型。SiC的晶体结构为立方晶系，Si和分别组成面心立方晶格；SiC存在着、和等余种多型体，其中，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。在温度低于时，SiC以SiC形式存在。当高于时，SiC缓慢转变成SiC的各种多型体。SiC在左右容易生成；和多型体均需在以上的高温才易生成；对于SiC，即使温度超

3、过，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：、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左右高温反应制得。因石英砂和焦炭中通常含有和等杂质，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。、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

4、可合成高纯度的SiC粉末。、热分解法：  使聚碳硅烷或三氯甲基硅等有机硅聚合物在的温度范围内发生分解反应，由此制得亚微米级的SiC粉末。、气相反相法：  使SiCl和SiH等含硅的气体以及CH、CH、CH和（Cl等含碳的气体或使CHSiCl、（CH） SiCl和Si(CH)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SiC超细粉。二、碳化硅陶瓷的烧结、无压烧结  1974年美国公司通过在高纯度SiC细粉中同时加入少量的和，采用无压烧结工艺，于2020成功地获得高密度SiC陶瓷。目前，该工艺已成为制备SiC陶瓷的主要方法。美国公司研究者认为：晶界能与表面

5、能之比小于1.732是致密化的热力学条件，当同时添加和后，固溶到SiC中，使晶界能降低，把SiC粒子表面的SiO2还原除去，提高表面能，因此和的添加为SiC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SiC的致密并不存在热力学方面的限制。还有学者认为，SiC的致密化机理可能是液相烧结，他们发现：在同时添加和的SiC烧结体中，有富的液相存在于晶界处。关于无压烧结机理，目前尚无定论。  以SiC为原料，同时添加和，也同样可实现SiC的致密烧结。  研究表明：单独使用和作添加剂，无助于SiC陶瓷充分致密。只有同时添加和时，才能实现SiC陶瓷的高密度化。为了SiC的

6、致密烧结，SiC粉料的比表面积应在以上，且氧含量尽可能低。的添加量在0.5左右，的添加量取决于SiC原料中氧含量高低，通常的添加量与SiC粉料中的氧含量成正比。  最近，有研究者在亚微米SiC粉料中加入Al2O3和，在温度下实现的致密烧结。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。、热压烧结  年代中期，美国公司就开始研究、等金属添加物对SiC热压烧结的影响。实验表明：和是促进SiC热压致密化的最有效的添加剂。  有研究者以Al2O3为添加剂，通过热压烧结工艺，也实现了的致密化，并认为其机理是液相烧结。此外，还有研究者分别以、或与，Al2

7、O3和、Al2O3和、与作添加剂，采用热压烧结，也都获得了致密SiC陶瓷。  研究表明：烧结体的显微结构以及力学、热学等性能会因添加剂的种类不同而异。如：当采用或的化合物为添加剂，热压SiC的晶粒尺寸较小，但强度高。当选用作添加剂，热压SiC陶瓷具有较高的导热系数。、热等静压烧结：  近年来，为进一步提高SiC陶瓷的力学性能，研究人员进行了SiC陶瓷的热等静压工艺的研究工作。研究人员以和为添加剂，采用热等静压烧结工艺，在便获得高密度SiC烧结体。更进一步，通过该工艺，在和压力下，成功实现无添加剂SiC陶瓷的致密烧结。  研究表明：当SiC粉末的粒径小于时，即使不引

8、入任何添加剂，通过热等静压烧结，在即可使其致密化。如选用比表面积为的SiC超细粉，采用热等静压烧结工艺，在便可获得高致密度的无添加剂SiC陶瓷。  另外，Al2O3是热等静压烧结SiC陶瓷的有效添加剂。而的添加对SiC陶瓷的热等静压烧结致密化不起作用，过量的甚至会抑制SiC陶瓷的烧结。、反应烧结： SiC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SiC粉和石墨粉按比例混匀，经干压、挤压或注浆等方法制成多孔坯体。在高温下与液态Si接触，坯体中的与渗入的Si反应，生成SiC，并与SiC相结合，过量的Si填充于气孔，从而得到无孔致密的反应烧结体。反应烧结SiC通常

9、含有的游离Si。因此，为保证渗Si的完全，素坯应具有足够的孔隙度。一般通过调整最初混合料中SiC和的含量，SiC的粒度级配，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SiC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SiC陶瓷相对较多，反应烧结SiC相对较低。另一方面，SiC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SiC陶瓷对强酸、强碱具有良好的抵抗力，但反应烧结SiC陶瓷对等超强酸的抗蚀性较差。就耐高温性能比较来看，当温度低于时，几乎所有SiC陶瓷强度均有所提高；当温度超过时，反应烧结SiC陶瓷抗弯强度急剧下降。（这是由于烧结体中含有一定量