碳化硅特性

碳化硅特性

碳化硅是一种人工合成的碳化物，分子式为SiC。通常是由二氧化硅和碳在通电后200 0℃以上的高温下形成的。碳化硅理论密度是3.18g/cm3，其莫氏硬度仅次于金刚石，在9.2 -9.8之间，显微硬度3300kg/mm3，由于它具有高硬度、高耐磨性、高耐腐蚀性及较高的高温强度等特点，被用于各种耐磨、耐蚀和耐高温的机械零部件，是一种新型的工程陶瓷新材料。纯碳化硅是无色透明的结晶,工业碳化硅有无色、淡黄色、浅绿色、深绿色、浅蓝色、深蓝色乃至黑色的,透明程度依次降低。磨料行业把碳化硅按色泽分为黑色碳化硅和绿色碳化硅2类。其中无色的至深绿色的都归入绿色碳化硅类,浅兰色的至黑色的则归入黑色碳化硅类。黑色和绿色这2种碳化硅的机械性能略有不同,绿色碳化硅较脆,制成的磨具富于自锐性;黑碳化硅较韧。

碳化硅结晶结构是一种典型的共价键结合的化合物，自然界几乎不存在。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，并以顶点与下一叠层四面体相连形成三维结构。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。α-SiC是高温稳定型,β-SiC是低温稳定型。β-SiC在2100～2400℃可转变为α-SiC,β-SiC可在1450℃左右温度下由简单的硅和碳混合物制得。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。常见的SiC多形体列于下表：

碳化硅的基本性能包括化学性质、物理机械性能、电学性质以及其他性质（亲水性好，远红外辐射性等）。

（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，在其碳化硅晶体表面开始生成二氧化硅保护层。随着保护层的加厚，阻止了内部碳化硅继续被氧化，这使碳化硅有较好的抗氧化性。当温度达到1900K(1627℃)以上时，二氧化硅保护膜开始被破坏，碳化硅氧化作用加剧，所以1900K是碳化硅在含氧化剂气氛下的最高工作温度。

（2）耐酸碱性：在耐酸、碱及氧化物的作用方面，由于二氧化硅保护膜的作用，碳化硅的抗酸能力很强，抗碱性稍差。

（二）物理机械性能

（1）密度：各种碳化硅晶形的颗粒密度十分接近，一般认为是3.20g/mm3，其碳化硅磨料的自然堆积密度在1.2-1.6 g/mm3之间，其高低取决于粒度号、粒度组成和颗粒形状。

(2)硬度：碳化硅的莫氏硬度为9.2，威氏显微密硬度为3000—3300kg/mm2，努普硬度为2670—2815kg/mm，在磨料中高于刚玉而仅次于金刚石、立方氮化硼和碳化硼。

(3)导热率：碳化硅制品的导热率很高，热膨胀系数较小，抗热震性很高，是优质的耐火材料。

(三)电学性质

常温下工业碳化硅是一种半导体，属杂质导电性。高纯度碳化硅随着温度的升高电阻率下降，含杂质碳化硅根据其含杂质不同，导电性能也不同。碳化硅的另一电性质是电致发光性，现已研制出实用器件。

SiC是在陨石中发现的，在地球上几乎不存在，因此，工业上应用的SiC粉末都是人工合成的。目前，合成SiC粉末的方法主要有：Acheson法、直接化合法、热分解法和气相反应法等。其中在实际工业生产中，最为普及的还是Acheson法。

碳化硅粉末的合成方法主要有：Acheson法、直接化合法、热分解法和气相反应法等。其中在实际工业生产中，最为普及的还是Acheson法。

Acheson法是工业采用最多的合成方法。α-SiC粉末的方法，即用电加热的方法将石英砂和焦炭的混合物加热到2500℃左右的高温使其发生反应：SiO2(s)+3C(s)→α-SiC（s）+ 2CO(g)。二氧化硅原料可选用熔融石英砂或破碎过的石英岩,碳可用石墨、石油焦或无灰无烟煤制取,加入NaCl和木屑作为添加剂,一般在2000～2400℃的电弧炉中反应合成。

整个反应炉由可移动的耐火砖组成,长10～20m,宽与高3～4m,可容纳400t石墨电极,

放在两端,通电后产生高温。由于反应过程中整个电弧炉很大,温度场的分布不均匀,中心温度远高于炉壁温度,因此造成在碳化硅的合成炉生成带中产物的不均匀,并常有不纯物质,核芯部位的产物是纯的绿色碳化硅,向外杂质较多,一般杂质为铁、铝、碳等,因此颜色呈黑色(原因是用于合成的石英砂和焦炭通常含有Al和Fe等金属杂质,故所得到的SiC一般都固溶有少量的杂质。其中,杂质含量少的呈绿色,被称为绿色碳化硅;杂质含量多的呈黑色,被称为黑色碳化硅)。采用该方法生产的也可称为高温法碳化硅,它的相为α-SiC。用此方法生产

的碳化硅如果要用到陶瓷生产中,还需经过粉碎与提纯处理,达到所需的纯度与粒度后方能

使用。

碳化硅陶瓷的烧结工艺主要有重结晶碳化硅陶瓷、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以及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,加上它的扩散系数低,很难用常规的烧结方

法达到致密化,必须通过添加一些烧结助剂以降低表面能或增加表面积,以及采用特殊工艺

处理来获得致密的碳化硅陶瓷。通过无压烧结工艺可以制备出复杂形状和大尺寸的SiC部件，因此，被认为是SiC陶瓷最有前途的烧结方法。采用热压烧结工艺只能制备简单形状的SiC 部件，而且一次热烧结过程所制备的产品数量很小，因而，不利于商业化生产。尽管热等静压工艺可以获得复杂形状的SiC制品，但必须对素坯进行包封，所以，也很难实现工业化生产。通过反应烧结工艺可以制备出复杂形状的SiC部件，而且其烧结温度较低，但是，反应烧结SiC陶瓷的高温性能较差。表1给出了无压烧结、热压烧结、热等静压烧结和反应烧结中SiC陶瓷的某些性能。显然SiC陶瓷的性能因烧结法的不同而不同。一般来说，无压烧结SiC陶瓷的综合性能优于反应烧结的SiC，但逊色于热压烧结和热等静压烧结的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较为简单,它直接采用一定颗粒级配的碳化硅(一般为1～10μm),与碳混和后形成素坯,然后在高温下进行渗硅,部分硅与碳反应生成SiC与原来

坯体中的SiC结合,达到烧结目的。渗硅的方法有2种,一种是温度达到硅的熔融温度,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生成碳化硅,达到烧结;另一种是温

度大于硅的熔融温度,产生硅的蒸汽,通过硅蒸汽渗入坯体以达到烧结。

前一种方法烧结后残留游离硅一般较多,通常达到10%～15%,有时会达到15%以上,这将给制品性能带来不利。用气相法渗硅,由于坯体的预留气孔可以尽量少,烧结后的游离硅含量可降到10%以下,有些工艺控制的好可以降到8%以下,制品的各项性能大为提高。反应烧结碳化硅的烧结温度为1450～1700℃。碳与碳化硅的骨架可以预先切削成任何形状,且烧结时坯体的收缩仅在3%以内,这有利于产品尺寸的控制,大大减少了成品的磨削量,采用的原料像

碳化硅、碳、结合剂等等均无需特殊处理,市场上有供应。因此,该工艺制备的碳化硅烧结体的生产成本较低,与其他几种工艺相比价格相对较低,竞争力较强。但该工艺决定了烧结后坯体中总残留有游离硅,这部分硅对以后产品的应用会产生影响,烧结体的强度不如其他工艺