碳化硅陶瓷.doc

碳化硅陶瓷碳化硅陶瓷特性与适用分析(文章摘录于《中国设备管理材质学分析》),特别是能源、空间技术的高度发展,经常要求材料必须有耐高温、抗腐蚀、耐磨损等优越性能,才能在比较苛刻的工作环境中使用。由于特种陶瓷材料具有抗氧化性强、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,已成为尖端科学的重要组成部分,受到普遍重视。碳化硅陶瓷是近二十几年才开始发展的新材料,但由于其具有特别优良的高强度、高硬度、耐腐蚀、耐高温性能,很快得到了开发应用,大量应用于石油化工、冶金机械、航空航天、微电子、汽车、钢铁等领域,并日益显示出其他特种陶瓷所无法比拟的优点。现代国防、核能和空间技术以及汽车工业、海洋工程的迅速发展,对火箭燃烧室内衬、飞机涡轮发动机叶片、核反应堆结构部件、高速气动轴承和机械密封零件等材料的要求愈来愈高,迫切需要开发各种新型高性能结构材料。碳化硅(SIC)陶瓷具有高温强度大、抗氧化性强、耐磨损性好、热稳定性佳、热膨胀系数小、热导率大、硬度高以及抗热震和耐化学腐蚀等优良特性,因此,已经在许多领域大显身手,并日益受到人们的重视。例如,SIC陶瓷在石油化学工业中已被广泛地用作各种耐腐蚀用容器及管道;在机械工业中已被成功地用作各种轴承、切削刀具和机械密封部件;在宇航和汽车工业中也被认为是未来制造燃气轮机、火箭喷嘴和发动机部件的最有希望的候选材料。.本文首先对SIC基本性质及SIC粉末的合成方法进行了简单介绍,接着重点综述了SIC陶瓷的各种烧结技术及其性能特点,最后对SIC陶瓷的应用现状与未来发展进行了概括和分析。碳化硅陶瓷材料具有高温强度大、高温抗氧化性强、耐磨损性能好、热稳定性佳、热膨胀系数小、热导率大、硬度高、抗热震和耐化学腐蚀等优良特性[1-4],在汽车、机械化工、环境保护、空间技术、信息电子、能源等领域有着日益广泛的应用,已经成为一种在很多工业领域性能优异的其他材料不可替代的结构陶瓷。由于碳化硅陶瓷的高性能和在工业领域中的广泛应用,SiC的烧结一直是材料界研究的热点,如何采用较简单的生产工艺在较低的温度下制备得到高致密度的碳化硅陶瓷制品也是研究者一直关心的课题;但由于碳化硅是一种共价性极强的共价键化合物,即使在2100℃的高温下,×10-×10-13cm2/s[5]。所以SiC很难烧结,必须借助烧结助剂或外部压力才可能在2000℃以下实现致密化。经实验研究证实,以热压烧结和无压烧结碳化硅陶瓷的性能最佳,但热压烧结碳化硅陶瓷成本昂贵,难以普遍推广。而无压烧结在有烧结助剂的作用下可获得较高的强度和韧性,且成形方法较多,适用于形状复杂或厚大的零件,可改善碳化硅材料的高温力学性能和物理性能,并进一步降低成本。(1)碳化硅的结构碳化硅是一种人造材料,只是在人工合成碳化硅之后,才证实陨石中及地壳上偶然存在碳化硅,碳化硅的分子式为SiC,,,~。SiC是以共价键为主的共价化合物,由于碳和硅两元素在形成SiC晶体时,它的基本单元是四面体,所有SiC均由SiC四面体堆积而成,所不同的只是平行结合和反平行结合,从而形成具有金刚石结构的SiC。SiC共有75种变体,如3C-SiC、4H-SiC、15R-SiC等,其中α-SiC、β-SiC最为常见。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。。(2)SiC的化学性质SiC的化学稳定性与其氧化特性有密切关系。SiC本身很容易氧化,但它氧化之后形成了一层SiO2薄膜,氧化进程逐步被阻碍。在空气中,SiC于800℃时就开始氧化,但很缓慢;随着温度升高,则氧化速度急速加快。;氧化速率随着时间推移而减慢。如果以时间推移对氧化的数量描图,可以得到典型的抛物线图形,这反映出SiO2保护层对SiC氧化速率的阻碍作用。