碳化硅陶瓷工艺流程.docx

编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第PAGE6页共NUMPAGES6页第PAGE\*MERGEFORMAT6页共NUMPAGES\*MERGEFORMAT6页碳化硅（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-C键的离子性仅12％左右。因此，SiC强度高、弹性模量大，具有优良的耐磨损性能。纯SiC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，但氧化时表面形成的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，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α和β两种晶型。β－SiC的晶体结构为立方晶系，Si和C分别组成面心立方晶格；α－SiC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1600℃时，SiC以β－SiC形式存在。当高于1600℃时，β－SiC缓慢转变成α－SiC的各种多型体。4H－SiC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－SiC，即使温度超过2200℃，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：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。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－SiC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－SiC粉末。4、气相反相法：使SiCl4和SiH4等含硅的气体以及CH4、C3H8、C7H8和（Cl4等含碳的气体或使CH3SiCl3、（CH3）2SiCl2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1974年美国GE公司通过在高纯度β－SiC细粉中同时加入少量的B和C，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GE公司研究者认为：晶界能与表面能之比小于1．732是致密化的热力学条件，当同时添加B和C后，B固溶到SiC中，使晶界能降低，C把SiC粒子表面的SiO2还原除去，提高表面能，因此B和C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B和C的β－SiC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－SiC为原料，同时添加B和C，也同样可实现SiC的致密烧结。研究表明：单独使用B和C作添加剂，无助于SiC陶瓷充分致密。只有同时添加B和C时，才能实现SiC陶瓷的高密度化。为了SiC的致密烧结，SiC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0．5％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SiC热压烧结的影响。实验表明：Al和Fe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，Al2O3和C、Al