碳化硅陶瓷的制备技术

五、碳化硅陶瓷的应用
由于碳化硅陶瓷所具有的高硬度、高耐
腐蚀性以及较高的高温强度，使得碳化 硅陶瓷得到了广泛的应用。主要有以下 几个方面： 密封环：碳化硅陶瓷的耐化学腐蚀性好、 强度高、硬度高，耐磨性能好、摩擦系 数小，且耐高温，因而是制造密封环的 理想材料。它与石墨材料组合配对时， 其摩擦系数比氧化铝陶瓷和硬质合金小， 因而可用于高PV值，特别是输送强酸、 强碱的工况中使用。

粉料成型技术的目的是为了得到内部均匀和高密 度的坯体，提高成型技术是提高陶瓷产品可靠性的关 键步骤。成型是陶瓷生产过程的一个重要步骤。 成型过程就是将分散体系(粉料、塑性物料、浆料) 转变为具有一定几何形状和强度的块体，也称素坯。 成型的方法很多，且各有优缺点，主要可分为干法成 型和湿法成型，其中干法成型包括模压成型和等静压 成型，湿法成型包括注浆成型、流延成型、直接凝固 注模成型、挤出成型、注射成型等成型方法。 下面主要介绍模压成型、等静压成型、注浆成型、 直接凝固注模成型、挤压成型和注射成型这几种主要 的陶瓷成型工艺的成型原理、基本工艺及特点。
喷嘴：作喷嘴的陶瓷材料有多种，常用
的是氧化铝、碳化硅和碳化硼陶瓷等。 氧化铝陶瓷喷嘴的价格低，但由于硬度 低，其耐磨性较差，多用于喷砂工作量 不大的场合。碳化硅陶瓷的使用寿命是 氧化铝陶瓷的３－５倍【】，与硬质合金 相当，多用于硬质合金的替代品，特别 是在手持喷枪的工况中使用。
磁力泵泵件：随着工业化的发展，特别
5.1.4挤压成型(Extrusion)
将粉料、粘结剂、润滑剂等与水均匀混合， 然后将塑性物料挤压出刚性模具即可得到管状、 柱状、板状以及多孔柱状成型体。其缺点主要 是物料强度低，容易变形，并可能产生表面凹 坑和起泡、开裂以及内部裂纹等缺陷。挤压成 型用的物料以粘结剂和水做塑性载体，尤其需 用粘土以提高物料相容性，故其广泛应用于传 统耐火材料如炉管、护套管以及一些电子材料 的成型生产。
以下是对四种烧结方法的一些概括： 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。假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陶瓷相对较高， 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HF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900℃时，几乎所有SiC陶 瓷强度均有所提高；当温度超过1400℃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的游离Si，当超过一定 温度抗弯强度急剧下降所致）对于无压烧结和 热等静压烧结的SiC陶瓷，其耐高温性能主要 受添加剂种类的影响
3、SiC的烧结

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，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。
2、 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。
4、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α－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 C与渗入的Si反应，生成β－SiC，并与α－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通常含有8％ 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α－SiC和C的含量，α－SiC的粒度级配，C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。
是ISO14000国际标准的贯彻执行，对不 利于环境保护液体【】的输运提出了更高 的要求。磁力泵由于采用静密封代替机 械密封、填料密封等动密封，因而泄漏 更小、可靠性更高、使用寿命更长。
高温耐蚀部件：碳化硅陶瓷最重要的特
性之一是它的高温强度，即在1600oC时 强度基本不降低，且抗氧化性能非常好， 因而可在高温结构件中使用。如高温炉 的顶板、支架【】，以及高温实验用的卡 具等。
这是由于烧结体中含有一定量的游离si当超过一定温度抗弯强度急剧下降所致对于无压烧结和热等静压烧结的sic陶瓷其耐高温性能主要受添加剂种类的影响?粉料成型技术的目的是为了得到内部均匀和高密度的坯体提高成型技术是提高陶瓷产品可靠性的关键步骤
碳化硅陶瓷的制备技术及应用
一、碳化硅的前沿
二、SiC粉末的合成 三、SiC的烧结方法
四、反应烧结碳化硅的成型工艺
五、碳化硅陶瓷的应用
碳化硅陶瓷的制备技术及应用
1、前沿：
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. 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。
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、 Al2O3和Y2O3、Be、B4C与C作添加剂， 采用热压烧结，也都获得了致密SiC陶瓷。

研磨介质：碳化硅陶瓷由于其高硬度的
特点而广泛用于耐磨机械零件中，特别 是球磨机中的研磨介质（磨介）。球磨 机中所用的磨介对研磨效率有着重要的 影响，其基本要求是硬度高、韧性好， 以保证研磨效率高、掺杂少的要求。
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防弹板：碳化硅陶瓷由于硬度高、比重
小、弹道性能较好、价格较低，而广泛 用于防弹装甲中，如车辆、舰船的防护 以及民用保险柜、运钞车的防护中。碳 化硅陶瓷的弹道性能优于氧化铝陶瓷， 约为碳化硼陶瓷的70-80%，但由于价格 较低，特别适合用于用量大，且防护装 甲不能过厚、过重的场合。
5.1.2等静压成型(Isostatic Pressing)
等静压成型是将待压试样置于高压容器中， 利用液体、气体、橡胶等介质不可压缩的性质 和均匀传递压力的性质从各个方向对试样进行 均匀加压，当液体介质通过压力泵注入压力容 器时，根据流体力学原理，其压强大小不变且 均匀地传递到各个方向。此时高压容器中的粉 料在各个方向上受到的压力是均匀的和大小一 致的。通过上述方法使瘠性粉料成型致密坯体 的方法称为等静压法。优点是粉料与模具壁的 摩擦力小，坯体受力均匀，密度分布均一。
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、等含碳的气 体在高温下发生反应，由此制备纳米级 的β－SiC超细粉。
3、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B和C 为添加剂，采用热等静压烧结工艺，在 1900℃便获得高密度SiC烧结体。更进一 步，通过该工艺，在2000℃和138MPa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0．6μm时，即使不引入任何添加剂， 通过热等静压烧结，在1950℃即可使其 致密化。
5.1.3注浆成型（Slip Casting） SiC工艺利用石膏模具的吸水性，将制得
的陶瓷浆料注入多孔质模具，由模具的气孔把 浆料中的液体吸出，而在模具中留下坯体。注 浆成型工艺成本低，过程简单，易于操作和控 制，但成型形状粗糙，注浆时间较长，坯体密 度、强度也不高。人们在传统注浆成型的基础 上，相继发展产生了新的压滤成型(Pressure Filtration)和离心注浆成型(Centrifugal Casting)， 借助于外加压力和离心力的作用，来提高素坯 的密度和强度，避免了注射成型中复杂的脱脂 过程，但由于坯体均匀性差，因而不能满足制 备高性能高可靠性陶瓷材料的要求。
5.1.1模压成型(Stamping Process)
将一定量的粉料填充模具内，在一定载荷下压制 成型。该成型由于载荷为单向的，也称为单向压制成 型。在成型过程中，由于模具填充的不均匀和压制过 程本身造成坯体内密度存在变化。由于干压成形的坯 料水分少，压力大，坯体比较致密，因此能获得收缩 小，形状准确，无需大力干燥的生坯。干压成形过程 简单，生产量大，缺陷少，便于机械化，因此对于成 型形状简单、小型的坯体颇为合适。但对于形状复杂、 大型的制品采用一般的干压成形就有困难。在此基础 上，有人提出了双向加压、振动压制和磁场压制 。

有研究在2050℃和 SiC+1%B4C+ 3%C体 系热压保温45分钟工艺条件下，密度达到理论 致密度的98.75% 。由于热压工艺自身的缺点 而无法应用在商业化生产中，因此无压烧结成 了高性能碳化硅陶瓷工业化首选的制备方法。
3、碳化硅烧结反应工艺流程图
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。 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。
总结： SiC陶瓷在许多工业领域中的应用显示了 优良的性能，因而引起了人们的普遍重视。在 无机非金属材料领域中SiC陶瓷是一个很大的 家族，其触角几乎伸遍了所有的工业领域。但 是由于SiC陶瓷的难烧结性，因而它的制作工 艺和生产都较昂贵，降低SiC陶瓷的烧成温度 和寻找新的廉价的生产工艺仍是材料工作者的 研究重点。同时挖掘和开发SiC陶瓷（粉末） 的所有优点造福于人类也是我们工作的重点 【】。SiC陶瓷有它广阔的发展和应用前景。