碳化硅陶瓷

碳化硅陶瓷

【摘要】碳化硅陶瓷是一种极其重要的材料，它在工程领域和各行各业都有广泛的应用。文章简述了碳化硅陶瓷的发展过程，综述了其在陶瓷球、磨料磨具、碳化硅陶瓷基复合材料以及其他方面的应用。展望了碳化硅陶瓷在工业领域的应用前景以及高技术碳化硅陶瓷的重要应用，提出发展碳化硅陶瓷生产技术应有紧迫感。

【关键词】碳化硅；陶瓷球；磨料磨具；复合材料

Abstract: 碳化硅ceramics is a very important material，it is applied widely in project field and many other industries．The article summarized 碳化硅ceramics' development history and application in ceramic balls，abrasives，碳化硅ceramic matrix composite and other aspects．In addition，碳化硅ceramics' prospective application in the high technology and the importance of high technology 碳化硅ceramics are proposed with impressive sense．

Key words: 碳化硅; ceramic balls; abrasives; matrix composite

引言

21 世纪，随着科学技术的发展，信息、能源、材料、生物工程已经成为当今社会生产力发展的四大支柱，碳化硅由于化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、密度小、耐磨性能好、硬度大、机械强度高、耐化学腐蚀等特点［1-2］，在材料领域发展迅速。碳化硅陶瓷因具有密度低、热膨胀系数小、硬度高、耐高温，弹性模量大、耐腐蚀等特点，普遍用于陶瓷球轴承、阀门、半导体材料、陀螺、测量仪、航空航天等领域。碳化硅陶瓷是从20世纪60 年代开始发展起的，之前碳化硅主要用于机械磨削材料和耐火材料。世界各国对先进陶瓷的产业化十分重视，现在已经不仅仅满足于制备传统碳化硅陶瓷，生产高技术陶瓷的企业发展更快，尤其是在发达国家。近几年以碳化硅陶瓷为基地复相陶瓷相继出现，改

善了单体材料的韧性和强度。分析借鉴国外先进陶瓷技术，有助于我国陶瓷产品的发展。碳化硅主要有四大应用领域，即功能陶瓷、高级耐火材料、磨料及冶金原料。文章先从碳化硅的物理化学性质出发，通过对其性质的研究来阐述各个领域碳化硅的应用和产生的意义。

一、碳化硅陶瓷的结构和性能

碳化硅陶瓷具有高温强度和抗氧化性好、耐磨性能和热稳定性高、热膨胀系数小、热导率高、化学稳定性好等优点，在航空、航天、汽车、机械、石化、冶金和电子等行业得到了广泛的应用，除了用作研磨剂和耐火材料，碳化硅产品在耐磨损部件和精密加工元件中的应用也逐渐增加。由于大部分碳化硅制品都属于高附加值产品，市场前景广阔，因此如何获得高密度的碳化硅陶瓷一直是各国科学家密切关注的话题，这使得研究其结构显得很有必要。

对碳化硅结晶结构的研究，揭示出它有许多不同结晶类型。从理论上讲，碳化硅均由碳化硅四面体堆积而成，所不同的只是平行结合或反平行结合。碳化硅有75 种变体，如阿尔法碳化硅、贝塔碳化硅、3C-碳化硅、4H-碳化硅、15R -碳化硅等，所有这些结构可分为立方晶系、六方晶系和菱形晶系，其中阿尔法碳化硅、β -碳化硅最为常见。阿尔法碳化硅是高温稳定型，贝塔碳化硅是低温稳定型。贝塔碳化硅在2100～2400 ℃可转变为阿尔法碳化硅, 贝塔碳化硅可在1450 ℃左右温度下由简单的硅和碳混合制得。利用透射电子显微镜和X－射线衍射检测技术可对碳化硅显微体进行多型体分析和定量测定。

碳化硅的硬度相当高，仅次于几种超硬材料，高于刚玉而名列普通磨料的莫氏刻痕硬度为9.2，克氏显微硬度为2200～2800 ㎏/㎜（负荷 100 g)。值得指出的是，所给范围之所以如此大，这是因为碳化硅晶体的硬度与其晶轴方向有关。研究材料指出，在一个结晶体内，由于方向不同,最硬的与最软的，其差别可达800㎏/㎜以上。碳化硅的热态硬度虽然随着温度的升高而下降，但仍比刚玉的硬度大很多。绿色碳化硅和黑色碳化硅的硬度，不论在常温或是在高温下都基本相同,没有发现本质上的差别；一种含铈的碳化硅,其硬度则略高于一般碳化硅。碳化硅的机械强度高于刚玉。如碳化硅的抗压强度为 224兆帕，刚玉为75.7兆帕；碳化硅的抗弯强度为15.5 兆帕刚玉则为8.72 兆帕。碳化硅颗

粒的韧性，通常是用—定数量某种粒度碳化硅颗粒在定型模子中，施加规定压力之后未被压碎的颗粒所占百分率来反映的，它受颗粒形状等许多因素的影响。二、碳化硅陶瓷的用途

所谓性能决定用途，碳化硅的硬度很大，可制备成各种磨削用的砂轮、砂纸和磨料，主要用于机械加工行业。碳化硅的莫氏硬度为 9.2 ～ 9．6，仅次于金刚石和碳化硼，是一种常用的磨料。碳化硅磨料的化学成分包括碳化硅、游离碳和 Fe2O3，碳化硅的含量越高，其硬度与磨削性能就越好。我国工业碳化硅主要作磨料用。磨料在工业上应用非常广泛，特别是加工高精度的零件或者很硬的零件，磨料磨具必不可少。对于刀具的刃磨和坚硬材料的切割，砂轮也是必不可少的工具。碳化硅砂轮是用磨料和结合剂树脂等制成的中央有通孔的圆形固结磨具，它在模具中使用量最大。碳化硅主要分为黑碳化硅和绿碳化硅两种。黑碳化硅相对绿碳化硅硬度较低，用来磨硬度较低的材料，如铸铁和非金属材料；绿碳化硅适合磨削硬质合金，光学玻璃、钛合金之类的东西。还有一种立方碳化硅专用于微型轴承的超精磨，采用 W3.5 立方碳化硅微粉制成的油石对轴（ZGCr15) 超精磨，其粗糙度可由 Ra 0.2 mm 直接磨到 Ra 0.025 mm 以上。因此，在相同粒度的其他磨料中，立方碳化硅的加工效率最高。

炼钢时通常要使用硅铁脱氧，近代发展了用碳化硅代替硅铁作脱氧剂，炼出的钢质量更好，更经济。因为用碳化硅脱氧时，成渣少而且很快，有效地减少了渣中某些有用元素的含量，炼钢时间短而成分更好控制。脱氧剂黑色碳化硅在美国和日本等国家的钢铁工业中用得很普遍。磨料用或耐火材料用碳化硅在炉中所生成的适合于作脱氧剂的物料，都能全部销售应用于生产而无须回炉，产品综合利用率高，碳化硅生产的经济效果极佳。在耐磨及高温件方面，利用碳化硅陶瓷的高硬、耐磨损、耐酸碱腐蚀性。

在机械工业、化学工业中用来制备新一代的机械密封材料，滑动轴承、耐腐蚀的管道、阀片和风机叶片。尤其是作为机械密封材料已被国际上确认为自金属、氧化铝、硬质合金以来第四代基本材料，它的抗酸、抗碱性能与其它材料相比是极为优秀的，几乎没有一种材料可与之相比。利用碳化硅陶瓷的高热导性能，用于冶金工业窑炉中的高温热交换器等，使用温度可达1300 ℃；用碳化硅砂辊磨米，较之用其他砂辊可提高大米的质量，出米率提高1%～2%，成本下降30%～40%。