碳化硅陶瓷的特性和用途有哪些

碳化硅是一种具有SiC分子的合成碳化物。通电后，二氧化硅和碳通常在高于2000°C的高温下形成。碳化硅的理论密度为3.18g/cm3，莫氏硬度紧随金刚石，显微硬度在9.2至9.8之间为3300kg/mm3。由于其高硬度和高耐磨性，它具有耐高温的特点，用于各种耐磨、耐腐蚀、耐高温的机械零件。它是一种新型的耐磨陶瓷技术。纯碳化硅是一种无色透明的晶体，工业碳化硅是无色、浅黄色、浅绿色、深绿色、浅蓝色、深蓝色或黑色，透明度依次降低。磨料行业根据其颜色将碳化硅分为黑色碳化硅和绿色碳化硅。其中，无色至深绿色为绿色碳化硅，浅蓝至黑色为黑色碳化硅。两种碳化硅（黑色和绿色）的机械性能略有不同。绿色碳化硅的机械性能很脆，制造的自锐度很强。黑色碳化硅的耐力更强。

 碳化硅晶体结构是一种典型的共价键组合化合物，在自然界中几乎不存在。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，上层与下层连接形成三维结构。SiC有α和β两种晶体类型。β-SiC的晶体结构为立方晶体系统，分别形成面心立方晶格；α-SiC有100多种多型体，如4H、15R和6H，其中6H多型体是工业应用中非常常见的一种。α-SiC是一种高温稳定型，β-SiC是一种低温稳定型。β-SiC可在2100~2400℃转化为α-SiC，β-SiC可在1450℃左右由简单的硅和碳混合物制成。当温度低于1600℃时，SiC以β-SiC的形式存在。当高于1600℃时，β-SiC慢慢转化为α-SiC。4H-SiC在2000℃左右容易生成；15R和6H多型体在2100℃以上的高温下容易生成；对于6H-SiC，即使温度超过2200℃，也非常稳定。下表列出了常见的SiC多型体：

碳化硅的基本性能包括化学性能、物理机械性能、电学性能等性能（亲水性好、远红外辐射等）。

(一)化学性质。

       (1)抗氧化性:当碳化硅材料在空气中加热到1300℃时，二氧化硅保护层开始在其碳化硅晶体表面产生。随着保护层的加厚，内部碳化硅继续氧化，使碳化硅具有良好的抗氧化性。当温度达到1900K(1627℃)以上时，二氧化硅保护膜开始受损，碳化硅氧化作用加剧，因此1900K是碳化硅在含氧化剂气氛中的工作温度。

       (2)耐酸碱性:由于二氧化硅保护膜的作用，于二氧化硅保护膜的作用，碳化硅具有性。

(二)物理机械性能。

       (1)密度:各种碳化硅晶体的颗粒密度非常接近，一般认为是3.20g/mm3，碳化硅磨料的自然堆积密度在1.2-1.6g/mm3之间，取决于粒度号、粒度组成和粒度形状。

       (2)硬度:碳化硅的莫氏硬度为9.2，威氏显微密度为3000-3300kg/mm2，努普硬度为2670-2815kg/mm，磨料高于刚玉，接近金刚石、立方氮化硼和碳化硼。

       (3)导热性:碳化硅产品导热性高，热膨胀系数小，抗热震性高，是优质耐火材料。

(三)电学性质。

       工业碳化硅是常温下的半导体，属于杂质导电性。随着温度的升高，高纯度碳化硅的电阻率下降，杂质碳化硅的导电性因杂质而异。碳化硅的另一种电性是电致发光，现在已经开发出了实用的设备。Sic在陨石中发现，在地球上几乎不存在。因此，工业应用的Sic粉末是合成的。目前，合成Sic粉末的主要方法有：Acheson法、直接合法、热分解法和气相反应法等。其中，Acheson法在实际工业生产中更为流行。

碳化硅粉的合成方法主要有:Acheson、直接合法、热分解和气相反应等。Acheson法在实际工业生产中更为流行。

       Acheson法是一种合成方法，在工业上应用广泛。α-SiC粉末的方法是将石英砂和焦炭的混合物加热到2500℃左右的高温，使其反应:SiO2(s)+3C(s)→α-SiC(s)+2CO(g)。二氧化硅原料可采用熔融石英砂或破碎石英岩，碳可采用石墨、石油焦或无灰无烟煤制成。添加Nacl和锯末作为添加剂，通常在2000~2400℃的电弧炉中反应合成。整个反应炉由移动耐火砖组成，长10~20m，宽3~4m，可容纳400t石墨电极，放置在两端，通电后产生高温。由于反应过程中整个电弧炉较大，温度场分布不均匀，中心温度远高于炉壁温度，碳化硅合成炉产品不均匀，常有不纯物质，核心产品为纯绿色碳化硅，外杂质较多，一般杂质为铁、铝、碳等，因此颜色为黑色（合成石英砂和焦炭通常含有Al、Fe等金属杂质，因此SIC一般溶解少量杂质。其中，杂质含量较少的为绿色，称为绿色碳化硅；杂质含量较多的为黑色，称为黑色碳化硅）。该方法生产的碳化硅也可称为高温碳化硅，其相α-SIC。如果用于陶瓷生产，则需要粉碎和净化，以达到所需的纯度和粒度。

碳化硅陶瓷的烧结工艺主要包括重结晶碳化硅陶瓷、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、化学气相沉积碳化硅等。碳化硅是一种典型的共价键结合的稳定化合物。此外，其扩散系数低，传统的烧结方法难以实现致密。需要添加一些烧结添加剂来减少表面能量或增加表面积，并采用特殊的工艺处理来获得致密的碳化硅陶瓷。复杂形状和大尺寸的SiC部件可以通过无压烧结工艺制备，因此被认为是SiC陶瓷非常有前途的烧结方法。热压烧结工艺只能制备简单形状的SiC部件，一次热烧结工艺制备的产品数量非常小，不利于商业生产。虽然热等静压工艺可以获得复杂形状的SiC产品，但也很难实现工业生产。复杂形状的SIC部件可以通过反应烧结工艺制备，烧结温度较低，但反应烧结SIC陶瓷的高温性能较差。表1显示了SIC陶瓷在无压烧结、热压烧结、热等静压烧结和反应烧结中的一些性能。显然，由于烧结方法的不同，SIC陶瓷的性能也有所不同。一般来说，无压烧结SIC陶瓷的综合性能优于反应烧结SIC，但不如热压烧结和热等静压烧结SIC。

                 不同烧结方法性能对照表

反应烧结碳化硅陶瓷的制备工艺相对简单。直接采用颗粒级碳化硅（一般为1~10μm），与碳混合形成素坯，然后在高温下渗透硅。部分硅与碳反应产生与原坯体中的硅结合，达到烧结的目的。有两种方法可以渗透硅。一种是温度达到硅的熔化温度，产生硅的液相。通过毛细管的作用，硅直接进入坯体，与碳反应产生碳化硅，达到烧结；另一种是温度大于硅的熔化温度，产生硅蒸汽，通过硅蒸汽渗入坯体达到烧结。

       烧结后一般的游离硅一般较多，一般达到10%~15%，有时达到15%以上，给产品性能带来不利影响。通过气相渗硅，由于坯体的预留气孔可以尽可能少，烧结后的游离硅含量可以降低到10%以下，部分工艺可以降低到8%以下，产品的性能可以大大提高。反应烧结碳化硅的烧结温度为1450~1700℃。碳和碳化硅的骨架可以提前切割成任何形状，烧结时坯体的收缩只有3%以内，有利于产品尺寸的控制，大大降低了成品的磨削量。碳化硅、碳、粘合剂等原料不需要特殊处理，市场供应。因此，该工艺制备的碳化硅烧结体的生产成本较低，价格相对较低，竞争力较强。然而，该过程决定了游离硅总是残留在空白体中，这将影响未来产品的应用。烧结体的强度不如其他工艺产品，耐磨性降低。主要原因是游离硅不能耐碱性、氢氟酸等强酸介质的腐蚀，因此其使用有限。此外，高温强度也受游离硅的影响，一般使用温度应限制在1350℃以下。

       重结晶碳化硅陶瓷是一种利用泥浆浇注法制成高密度毛坯的SiC成型件。毛坯在隔离空气的条件下，用电炉在2500℃以上燃烧，在2100℃以上温度下蒸发凝结，形成无收缩自组合结构。燃烧前和密度保持不变，晶体之间形成固体碳化硅组合。α-SiC的碳化硅含量可达98%，密度可达2.6g/cm3，气孔率约为20%。

       无压烧结碳化硅陶瓷（常压烧结碳化硅陶瓷）工艺可分为固相烧结和液相烧结。固相烧结是在亚微米级β-SiC或α-SiC中加入少量硼和碳，实现碳化硅无压烧结，制成接近理论密度95%的致密烧结体。未来的许多研究表明，硼和硼的化合物以及Al和Al的化合物可以与碳化硅形成固溶体，促进烧结。碳的添加与碳化硅表面的二氧化硅反应，增加表面，有利于烧结。固相烧结碳化硅的晶界干净，基本上没有液相，晶粒在高温下容易生长。因此，断裂是晶体断裂，强度和断裂韧性一般不高，在300~450mpa和3.5~4.5mpam1/2之间。然而，它的晶相对干净，高温强度不会随温度的升高而变化。一般可使用1600℃，强度不变。Sic-AlN系统在固相烧结中值得注意。由于其良好的电阻和导热性，它将是一种廉价的大型集成电路基板材料。碳化硅液相烧结的主要烧结添加剂是Y2O3-Al2O3。根据图，YAG（Y3A15O15，熔点1760℃）有三种低共熔化合物；YAP（YAlO3，熔点1850℃）；YAM（Y4Al2O9，熔点1940℃。YAG通常用作碳化硅的烧结添加剂，以降低烧结温度。

碳化硅的用途。

       （1）磨料：由于其超硬性能，可制备各种研磨砂轮、砂布、砂纸和各种研磨材料，广泛应用于机械加工行业。我国工业碳化硅主要用作研磨材料，黑色碳化硅研磨工具，主要用于切割和研磨抗张强度低的材料，如玻璃、陶瓷、石材和耐火材料，但也用于铸铁零件和有色金属材料的研磨。绿色碳化硅研磨工具主要用于硬合金、钛合金、光学玻璃研磨，也用于缸套研磨和高速钢刀具研磨。立方碳化硅专门用于微轴承的超精度研磨。由W3.5立方碳化硅微粉制成的石油对轴承（ZGCrl5）进行超精度研磨，其光洁度可直接从▽9研磨到▽12以上。因此，在其他相同粒度的研磨材料中，立方碳化硅的加工效率较高。

       （2）耐火材料：国外使用碳化硅的耐火材料数量大于磨料数量。耐火材料黑色碳化硅通常分为三个品牌：①耐火材料黑色碳化硅。该品牌的化学成分要求与磨料中使用的黑色碳化硅相同。主要用于制造先进的碳化硅产品，如重结晶碳化硅产品、燃气轮机构件、喷嘴、氮化硅结合碳化硅制品、高炉高温区衬里材料、高温窑构件、高温窑安装窑支撑件、耐火箱碗等，②二级耐火材料黑色碳化硅含有90%以上的碳化硅。主要用于制造马弗炉衬里材料等耐中高温窑构件。除了碳化硅的耐热性和导热性外，这些构件还在许多场合使用其化学稳定性。③低品位耐火材料黑色碳化硅含量大于83%，主要用于铁槽、铁水包、炼锌和海绵铁制造的衬里。

       (3)脱氧剂:与硅铁脱氧相比，碳化硅脱氧剂产生的钢质量更好、更经济。因为使用碳化硅脱氧时，渣少而快，有效降低了渣中某些有用元素的含量，炼钢时间短，成分控制更好。脱氧剂黑色碳化硅广泛应用于美国、日本等国的钢铁行业。磨料或耐火材料用碳化硅在炉内生产的适合脱氧剂的材料，无需回炉即可销售和使用。产品综合利用率高，碳化硅生产经济效果好。

       （4）耐高温零件：利用碳化硅陶瓷的高硬度、耐磨性和耐酸碱腐蚀性，创造新一代机械密封材料、滑动轴承和机械化工中的耐腐蚀材料。管道、阀门和风扇叶片。特别是作为一种机械密封材料，它已被国际公认为第四代金属、氧化铝和硬金属。与其他材料相比，它对酸和碱的耐受性很好，几乎没有。材料是可比的。碳化硅陶瓷的高导热性可用于冶金行业熔炉的高温换热器。使用温度可达1300°C。与其他金刚砂面包相比，碳化硅金刚砂面包可以提高大米的质量。移动率从1%提高到2%，成本从30%降低到40%。在水轮机叶轮上涂抹碳化硅粉末可以大大提高叶轮的耐磨性，延长叶轮的维护时间。在机械压力下，立方碳化硅粉和W28粉被压入内燃机的气缸壁，可以延长气缸的使用寿命。在水轮机叶轮上涂抹碳化硅粉末可以大大提高叶轮的耐磨性，延长其维护时间。表面采用碳化硅和硼砂的混合物进行化学热处理，然后在45#钢收割铲上进行硼化处理。硼化层的硬度可达到1800-2000kg/mm2的微凯氏定氮硬度，从而延长使用寿命。

碳化硅辊已成功应用于轧机中。它们比金属辊具有更好的耐热性和耐磨性，可以提高轧钢的质量。碳化硅砂泵和水力旋流器具有良好的耐磨性；碳化硅气缸套等耐磨部件可广泛应用于石油化工机械中。它们也可以用作高温热力学材料。碳化硅具有良好的高温性能，如高温抗氧化性、高温抗性、低蠕变性、良好的导热性和低密度。是耐高温机械零件的上好的选择，如高温燃气轮机燃烧室、涡轮叶片、高温喷嘴等。柴油发动机采用碳化硅活塞和气缸，无需润滑和冷却，可减少30-50%的摩擦，大大降低噪音。

       （5）军事用途：火箭技术采用燃烧室、碳化硅等陶瓷喷嘴。碳化硅具有平均密度，比Al2O3轻20%，硬度和弹性模量更高，价格低于B4C。它也可用于装甲车和飞机的腹部，以及防弹和防刺穿服装。碳化硅材料还具有自润滑性能，摩擦系数小，约为硬合金的一半。它具有良好的抗热振动和高弹性模量，已应用于一些特殊场所。例如，高功率激光镜的性能优于铜。CVD和反应烧结的轻质碳化硅镜由于其密度低、刚度好、变形低，广泛应用于航天技术中。

       (6)电气工程和电气工程:碳化硅陶瓷导热性高，绝缘性好。