碳化物陶瓷
高熵碳化物陶瓷粉体合成研究
高熵碳化物陶瓷粉体合成研究
高熵碳化物陶瓷粉体合成研究是指针对高熵碳化物陶瓷材料的合成方法进行研究的工作。
高熵碳化物陶瓷材料是一种特殊的多组分陶瓷材料，其由至少五种或以上的金属元素构成，并形成高度均匀的晶格结构。
合成高熵碳化物陶瓷粉体的关键是选择合适的原料和合成方法。
常用的合成方法包括固相反应法、溶胶-凝胶法、水热合成法等。
其中，固相反应法是最常用的方法，通过将金属元素和硅源在高温条件下进行反应，生成高熵碳化物陶瓷粉体。
溶胶-凝胶法则是通过将金属盐与溶胶制备剂在溶剂中混合，并经过凝胶化和热处理生成高熵碳化物陶瓷粉体。
研究高熵碳化物陶瓷粉体的合成方法不仅要考虑到材料的成分和结构，还需关注合成过程中的温度、压力和反应时间等因素对产物性能的影响。
研究人员通常通过X射线衍射、扫描电镜等手段对合成产物的结构和形貌进行表征，并通过物理性能测试来评估其性能。
高熵碳化物陶瓷粉体合成研究的目的是为了开发出具有优异性能的高熵碳化物陶瓷材料，以满足高温工程、耐磨、高强度等领域的需求。
碳化物陶瓷
有高导热率，可作热交换器，耐火材料。
高导热陶瓷材料特性比较
在非氧化物陶瓷中，碳化物、氮化物引人注目。
因为材料的原子键大多是共价键，所以高温下抗
变形能力强。 不同于氧化物，需要人工来合成原料。 在原料合成过程中，必须避免与O2接触，否则会 首先生成氧化物；并且原料合成及其烧结时都必 须在保护性气体（N2，惰性气体）中进行，以免 生成氧化物，影响高温性能。
第二节 碳化硅（SiC）陶瓷
2、常压烧结
固相烧结：亚微米β - SiC加入B: 036%，C>025%，烧结 温度达2100℃，＞95%理论密度的制品 特点： 优：高温强度不变化 缺：晶粒易长大→穿晶断裂，所以强度韧性不高 液相烧结：（Y2O3－Al2O3）Y3Al5O15:6wt%,基本致密；99 年亚微米级SiC＋（AlB2+C），1850℃烧结。
AlN 100-270 ≧1012 140-170 8.8 5-10
SiC 270 1011 0.7 4.5 500
Al2O3 （99%） 20 ≧1012 100 9.8 3
BeO （99.5%） 250 ≧1012 100-140 6.7 4-7
BN 20-60 ≧1013 300-400 4.0 2-6
二 SiC的基本特性
三、碳化硅粉料的制备
1、Achesor法：采用碳热还原过程 SiO2 + 3C SiC + 2CO↑（电弧炉2000-2400℃）
碳化物陶瓷材料
7⋅4 碳化物陶瓷材料7⋅4⋅1 碳化硅陶瓷碳化硅在自然界中极少发现，到目前为止只发现与金刚石或火山岩伴生的天然碳化硅。
人工合成碳化硅由瑞典化学家Berzelius于1810年完成，并在1824年提出Si-C键可以存在。
但直到1892年，Acheson才在其专利中提出完备的人工制备碳化硅的方法[1-3]。
作为碳化物的代表，由于其结构和化学键本质特殊性，比如原子直径小、键长短、共价性强，碳化硅材料受到人们广泛关注[1-8]。
由于它是以共价键结合为主的材料，因此它具有相当优良的力学(高强、高硬度、耐磨损)、化学(耐酸、碱腐蚀)、热学(高热导、无熔点，分解温度>2600°C)，电学(从绝缘、半导体到导体可通过掺杂来调节)性能、耐辐照、吸波、比刚度高等特性。
在许多重要的应用领域，碳化硅成为主要候选材料，甚至具有不可替代的地位，比如在含HF条件下使用的泥浆泵轴套，只有采用高纯高致密SiC 才能保证其耐蚀(HF)、耐磨要求。
7⋅4⋅1⋅1 碳化硅的化学键、晶体结构和相图碳化硅是共价键性非常强的化合物，其Si-C键的离子键性仅占12%左右[7]。
碳化硅晶体结构的基本结构单元是SiC4和CSi4配位四面体。
图1是CSi4四面体的结构示意图，在SiC晶体结构中，每一个Si原子或C原子都处于这种四面体结构的中心，不同的四面体排列方式会形成不同的结构变体。
碳化硅有200多种变体，但从四面体的层叠方式看，主要有两类晶系：六方纤锌矿结构和立方闪锌矿结构。
六方纤锌矿(2H)结构中，四面体以ABAB…的顺序排列；立方闪锌矿(3C)结构中，四面体以ABCABC…的顺序排列，其结构俯视和侧视图如图7⋅4-1所示。
Si原子C原子图7⋅4-1 CSi4配位四面体结构图CSi立方SiC 六方SiC图7⋅4-2 立方和六方SiC 晶体结构中Si 、C 原子排列情况碳化硅陶瓷主要有α-SiC 和β-SiC 两种晶型。
α-SiC 为六方结构，包含的变体超过200种，其中最主要的有4H 、6H 、15R 等，H 代表六方晶系，R 代表菱方晶系。
高熵过渡金属碳化物陶瓷的研究进展
第36卷 第4期 无 机 材 料 学 报Vol. 36No. 42021年4月Journal of Inorganic Materials Apr., 2021收稿日期: 2020-07-02; 收到修改稿日期: 2020-09-27; 网络出版日期: 2020-10-19基金项目: 国家自然科学基金(51972027) National Natural Science Foundation of China (51972027) 作者简介: 王皓轩(1994–), 男, 博士研究生.E-mail:*********************WANGHaoxuan(1994–),male,PhDcandidate.E-mail:*********************通信作者: 王一光, 教授.E-mail:*******************.cn文章编号: 1000-324X(2021)04-0355-10 DOI: 10.15541/jim20200366高熵过渡金属碳化物陶瓷的研究进展王皓轩1, 刘巧沐2, 王一光3(1. 西北工业大学 超高温结构复合材料重点实验室, 西安710072; 2. 中国燃气涡轮研究院, 成都 610500; 3. 北京理工大学 先进技术结构研究院, 北京 100081)摘 要: 高熵陶瓷作为新型材料, 较大的构型熵赋予其独特的性能, 其中高熵过渡金属碳化物有望成为高超声速飞行器热防护系统的备选材料。
相比于单组元碳化物陶瓷, 高熵化的单相陶瓷在综合性能上有较大地提高。
目前, 高熵过渡金属碳化物陶瓷的研究还处于初始阶段, 关于高熵过渡金属碳化物的成分设计和理论分析还缺少足够的研究支撑。
另外, 如何制备高纯度高熵过渡金属碳化物还需要进一步探索。
在高熵过渡金属碳化物陶瓷的性能方面, 还缺少深入的研究。
本文针对高熵陶瓷的理论设计和制备方法展开综述, 详细介绍了高熵过渡金属碳化物的力学、热导及抗氧化性能的研究进展, 并指出了高熵过渡金属碳化物陶瓷在超高温陶瓷领域存在的科学问题, 展望了高熵过渡金属碳化物陶瓷未来的发展方向。
现代陶瓷材料7-碳化物陶瓷
对烧成的碳化物陶瓷进行切割、磨削等机械加工，以满足其使用要求。
04
碳化物陶瓷的性能优化
添加物对碳化物陶瓷性能的影响
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增强剂
添加如碳化硅、氮化硅等 增强剂可以提高碳化物陶 瓷的强度和韧性，降低其 脆性。
稳定剂
添加适量的稳定剂如氧化 铝、氧化锆等可以改善碳 化物陶瓷的抗热震性能， 提高其使用温度。
碳化锆陶瓷的制备工艺主要包括反应烧结、热压烧结和溶胶-凝胶法等， 不同的制备工艺会影响碳化锆陶瓷的性能和应用。
03
碳化物陶瓷的生产工艺
原料选择与制备
原料选择
选择高纯度、高耐热性、高硬度的原材料，以确保碳化物陶 瓷的性能。
原料制备
将原材料进行精细研磨、混合、筛分等处理，以获得均匀的 原料粉末。
成型工艺
干压成型
通过干压成型技术将粉末制成所需形 状的生坯。
注射成型
利用注射成型技术将粉末与粘结剂混 合后注入模具中，形成生坯。
烧成工艺
烧成温度
根据不同的碳化物陶瓷材料，选择适当的烧成温度，以确保陶瓷的性能。
烧成气氛
在烧成过程中控制气氛，如氧化、还原、中性等，以获得所需的陶瓷性能。
后处理工艺
表面处理
对碳化物陶瓷表面进行涂层、抛光等处理，以提高其耐磨、耐腐蚀等性能。
碳化物陶瓷的特性
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高硬度
碳化物陶瓷的硬度仅次于金刚 石，具有极高的耐磨性和耐划
痕性能。
高温稳定性
碳化物陶瓷具有出色的耐高温 性能，能够在高温环境下保持
稳定的物理和化学性质。
良好的化学稳定性
碳化物陶瓷对酸、碱、盐等化 学介质具有良好的抗腐蚀性，
碳化物陶瓷
非氧化物陶瓷：是包括金属的碳化物、氮化物、硫 化物、硅化物和硼化物等陶瓷的总称。
非氧化物陶瓷在以下三方面不同于氧化物陶瓷： 1）非氧化物在自然界很少存在，需要人工来合成原料。 2）在原料的合成和陶瓷烧结时，易生成氧化物，因此必 须在保护性气体（如N2、Ar等）中进行； 3）氧化物原子间的化学键主要是离子键，而非氧化物一 般是键性很强的共价键，因此，非氧化物陶瓷一般比 氧化物难熔和难烧结。
2. B4C陶瓷的性能及应用
1）碳化硼--精细高级的研磨材料。由于碳化硼研磨效率 高，作为研磨介质主要用于材料的磨细工艺中，如：宝石、 陶瓷、刀具、轴承、硬质合金等硬质材料的磨削、研磨、 钻孔及抛光等。 2）碳化硼--工业陶瓷材料的首选。由碳化硼粉末压制成 的制品：喷砂嘴、密封环、喷管、轴承、泥浆泵的柱塞和 火箭发射架、军舰、直升飞机的陶瓷途层等作为一种新型 材料，具有高熔点、高硬度、高弹性模量、耐磨力强、自 润性好等特点而被广泛用于喷砂机械、电子、信息、航空 航天、汽车等行业。
(5)重结晶法
此法也叫后烧结法，它是将一种较粗颗粒和一种较细颗粒 的SiC粉末混合成形，在高温(＞2300℃)以及保护气氛下 进行再结晶过程而形成一种高温结构陶瓷材料。表面扩散 和蒸发－凝聚反应是物质在高温下迁移的主要机理，小尺 寸粒子的蒸发和再次择优沉积在较大SiC粒子的近颈部表 面处，最终得到与成形密度相同的烧结体。 采用重结晶工艺的一个重要前提是起始粉末坯体须有较高 的致密度。在烧结后材料的密度并不增加，最初素坯显微 结构决定了最终产品的性能。 重结晶SiC是各种高温窑炉的重要结构材料，如作为建筑 卫生瓷、日用陶瓷、电瓷烧成的辊棒、棚板、支柱、
过渡金属碳化物不水解，不和冷的酸起作用， 但硝酸和氢氟酸的混合物能侵蚀碳化物。大部 分碳化物在高温和氮作用生成氮化物。
陶瓷资料整理总述
陶瓷资料整理总述陶瓷是陶器与瓷器的统称，同时也是我国的一种工艺美术品，远在新石器时代，我国已有风格粗犷、朴实的彩陶和黑陶。
陶与瓷的质地不同，性质各异。
陶，是以粘性较高、可塑性较强的粘土为主要原料制成的，不透明、有细微气孔和微弱的吸水性，击之声浊。
瓷是以粘土、长石和石英制成，半透明，不吸水、抗腐蚀，胎质坚硬紧密，叩之声脆。
我国传统的陶瓷工艺美术品，质高形美，具有高度的艺术价值，闻名于世界。
特性说到陶瓷材料，难免将陶与瓷分开来谈，我们经常说的陶瓷，是指陶器和瓷器两个种类的合称。
在创作领域中，陶与瓷都是陶瓷艺术中不可或缺的重要组成部分，但是陶与瓷却有着质的不同。
陶，是以粘性较高、可塑性较强的粘土为主要原料制成的，不透明、有细微气孔和微弱的吸水性，击之声浊。
瓷是以粘土、长石和石英制成，半透明，不吸水、抗腐蚀，胎质坚硬紧密，叩之声脆。
分类陶瓷材料目前尚无统一的分类方法，通常把陶瓷材料分为玻璃、玻璃陶瓷和工程陶瓷3类。
其中工程陶瓷又分为普通陶瓷和特种陶瓷两大类。
其中普通陶瓷又称传统陶瓷，特种陶瓷又称现代陶瓷。
陶瓷材料是用天然或合成化合物经过成形和高温烧结制成的一类无机非金属材料。
具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等优点。
可用作结构材料、刀具材料和模具材料，由于陶瓷还具有某些特殊的性能，又可作为功能材料。
普通陶瓷普通陶瓷又称传统陶瓷，其主要原料是黏土（Al2O3·2SiO2·H2O）、石英（SiO2）和长石（K2O·Al2O3·6SiO2）。
通过调整3者比例，可得到不同的抗电性能、耐热性能和机械性能。
一般普通陶瓷坚硬，但脆性大，绝缘性和耐蚀性极好。
特种陶瓷特种陶瓷又称现代陶瓷，按应用包括特种结构陶瓷和功能陶瓷两类，如压电陶瓷、磁性陶瓷、电容器陶瓷、高温陶瓷等。
工程上最重要的高温陶瓷，包括氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、硼化物陶瓷和氮化物陶瓷。
①氧化物陶瓷a.氧化物陶瓷的性质Ⅰ.熔点大多在2000℃以上，烧成温度在1800℃左右。
清华大学工程材料第五版第五章
5.1 普通陶瓷
5.1.1 普通日用陶瓷
一、普通日用陶瓷的用途和特点
用粘土、石灰石、长石、石英等天然硅 酸盐类矿物制成。制造日用器皿和瓷器。
一般具有良好的光泽度、透明度，热稳 定性和机械强度较高。
日用器皿
艺术陶瓷
二、常用普通日用陶瓷
（1）长石质瓷 国内外常用的日用瓷，作 一般工业瓷制品。
（2）绢云母质瓷 我国的传统日用瓷。 （3）骨质瓷 主要作高级日用瓷制品。 （4）滑石质瓷 综合性能好的新型高质瓷。 （5）高石英质日用瓷 我国研制成功，石 英含量 ≥40%，瓷质细腻、色调柔和、透光 度好、机械强度和热稳定性好。
氧化铝陶瓷应用实例：
氧化铝陶瓷密封环
氧化铝陶瓷喷咀
二、氧化铍陶瓷
●导热性极好，很高的热稳定性，抗热冲 击性较高；
●消散高能辐射的能力强、热中子阻尼系 数大。
●强度低。
应用 氧化铍陶瓷制造坩埚，作真空陶瓷和 原子反应堆陶瓷，气体激光管、晶体管散热 片和集成电路的基片和外壳等。
三、氧化锆陶瓷
●熔点在2700 ℃以上，耐2300 ℃高温， 推荐使用温度2000 ℃～2200 ℃；
绝缘瓷瓶
改善工业陶瓷性能的方法： 加入MgO、ZnO、BaO、Cr2O3等或增加莫 来石晶体相，提高机械强度和耐碱抗力；
加入Al2O3、ZrO2等提高强度和热稳定性； 加入滑石或镁砂降低热膨胀系数；
加入SiC提高导热性和强度。
5.2 特种陶瓷
☆ 老师提示：重点内容
特种陶瓷也叫现代陶瓷、精细陶瓷。 特种陶瓷包括特种结构陶瓷和功能陶瓷两 大类，如压电陶瓷、磁性陶瓷、电容器陶瓷、 高温陶瓷等。 按陶瓷的主要组成分： 氧化物陶瓷、硼化物陶瓷、 氮化物陶瓷、碳化物陶瓷。
碳化物陶瓷及其复合材料
碳化物陶瓷及其复合材料在特种陶瓷领域，碳化物是一种最耐高温的材料。
它常以通式Me x C yｙ来加以表示。
碳化物陶瓷种类很多，大体上可划分为类金属碳化物和非金属碳化物两种。
从晶体材料结构特点进行分类时，一类如TiC、ZrC、VC、WC、SiC、B4C等属于较简单结构的碳化物。
而另一类如Fe3C、Cr7C3、Cr3C6等则属于较复杂的结构。
相比较而言，属简单结构的碳化物陶瓷较为稳定，具有很高的熔点和硬度，所以现在研究与开发应用比较广泛、个别品种成为热门产品。
结构比较复杂的碳化物，在稳定性上较差，熔点与硬度稍低，目前在应用方面意义不大。
不过它们属于一般钢铁中重要的强化相，而且以各种复杂的相存在。
譬如：（Fe、Mn）3C、（Fe、Cr）3C、（Fe、Cr）7C３、（Fe、W）6C、（Fe、Mo）6C等等。
对于钢铁合金制品的改良与开发新品种具有一定意义。
我们常讲的碳化物高温结构陶瓷，通常指SiC、B4C、TiC、WC、ZrC、Cr3C2等及其复合物材料。
碳化物陶瓷最主要的特性之一是具有高熔点。
例如碳化钛（TiC）熔点高达3460℃，碳化钨（WC）为2720℃、碳化锆（ZrC）为3450℃、碳化硅（SiC）的气化点为2600℃。
可以说基本上所有的碳化物陶瓷的熔点都很高。
除熔点很高外，碳化物陶瓷还具有较高的硬度。
碳化硼硬度仅次于金刚石与立方氮化硼，属于最硬的材料，其显微硬度达到4950kg／mm2、碳化钛为3200 kg／mm2、碳化硅为3000 kg／mm2。
碳化物陶瓷还具有良好的导电性、导热性及良好的化学稳定性。
几乎大多数碳化物陶瓷在常温下不与酸反应。
极少数碳化物即使加热亦不同酸起化学反应。
结构最稳定的碳化物陶瓷甚至于不受硝酸与氢氟酸混合酸的腐蚀，成为陶瓷材料中耐磨蚀的佼佼者。
鉴于以上各种独特的优良性能，碳化物陶瓷作为耐热材料、超硬材料、耐磨材料、耐腐蚀材料，在尖端科学及工业领域应用前途非常广阔。
其中象碳化硅陶瓷已经实现批量生产，早已运用在各个领域。
sic主流生长方法
sic主流生长方法
SIC（硅碳化物）是一种具有优异性能的陶瓷材料，它具有高硬度、高熔点、耐高温、耐腐蚀等特点，被广泛应用于高温、高压、耐磨、耐腐蚀等领域。
SIC的主流生长方法主要有以下几种：
1. 碳化硅单晶生长方法，碳化硅单晶生长是目前最常用的SIC 生长方法之一。
常见的碳化硅单晶生长方法包括物理气相沉积（PVT）、化学气相沉积（CVD）和液相热解（LPE）等。
其中，PVT 方法是最主要的生长方法，通过在高温下使硅和碳源反应生成SIC 单晶。
2. 反应烧结法，反应烧结法是一种常用的SIC陶瓷制备方法。
该方法通过将硅粉和石墨粉混合，在高温下进行热压烧结或热等静压烧结，使其发生化学反应生成SIC陶瓷。
3. 溶胶-凝胶法，溶胶-凝胶法是一种化学合成方法，通过溶胶-凝胶过程将硅源和碳源溶解在溶剂中，制备成凝胶状物质，然后通过热处理使其发生胶凝和碳化反应，最终得到SIC陶瓷。
4. 熔融石墨渗透法，熔融石墨渗透法是一种通过石墨渗透碳化
硅的方法。
该方法将石墨和硅源放置在高温炉中，石墨在高温下熔
化形成液态，然后液态石墨渗透到硅源中，通过反应生成SIC陶瓷。
这些方法各有优缺点，适用于不同的生长需求和应用场景。
在
实际应用中，根据需要选择合适的生长方法来获得高质量的SIC材料。
高熵碳化物陶瓷的制备及性能研究
高熵碳化物陶瓷的制备及性能研究摘要：高熵碳化物是近年来科研工作者受到高熵合金启发而发展的一种新型材料，它具有多种优异性能，包括优良的力学性能、良好的抗氧化性能、良好的热稳定性以及低导热率。
本文对高熵碳化物陶瓷的制备工艺以及性能特点进行了总结，并对高熵碳化物陶瓷的发展方向进行展望。
关键词：高熵陶瓷；制备工艺；性能当传统材料的发展越来越趋近于其极限、无法满足各行业新技术日益增长的需要时，开发新材料变得尤为重要。
“高熵”是近年来出现的新的材料设计理论，目前已成为材料研究领域的一大热点，其概念最初由高熵合金发展而来。
随着研究的不断深入，高熵的概念逐渐拓展到陶瓷材料中，因此本文总结了高熵碳化物陶瓷的制备工艺以及性能特点，并对未来发展方向进行了展望。
1高熵碳化物陶瓷的制备目前高熵碳化物粉体的方法有固相法、熔盐法、液相法等等。
Zhou J等[1]以单相碳化物粉体为原料，使用放电等离子体烧结制备(Ti0.2Zr0.2Nb0.2Ta0.2Hf0.2)C高熵陶瓷粉体，在1950℃下合成的高熵粉体粒径约为2μm。
Feng L等[2]通过碳热还原的方法制备了(Ti0.2Zr0.2Nb0.2Ta0.2Hf0.2)C高熵陶瓷粉体，先在1600℃下还原先得到复合碳化物粉体，当保温温度提高到2000℃时，可得到粒径约为550nm的面心立方单相碳化物粉体。
褚衍辉团队[3]利用熔盐法在较低温度下制备了平均粒径80nm的(Ta0.25Nb0.25Ti0.25V0.25)C粉体。
对于高熵碳化物陶瓷块体的合成，目前大多使用放电等离子烧结和热压烧结，以及通过高能球磨直接制得高熵陶瓷。
Wang H X等[4]将等摩尔量的金属碳化物粉末在低温行星球磨机中混合均匀后，采用放电等离子体烧结得到了(Hf0.2Ta0.2Zr0.2Ti0.2Nb0.2)C-xSiC高熵陶瓷。
Ye等[5]将碳化物粉末湿法球磨24h，然后放入模具，压成小块，利用热压烧结制备了(Hf0.2Zr0.2Ta0.2Nb0.2Ti0.2)C高熵陶瓷。
7-碳化物陶瓷
碳化硼陶瓷是一种仅次于金刚石和立方氮化 硼的超硬材料，这是由其特殊的晶体结构所 决定的。C原子与B原子半径很小，而且是非 金属元素，B与C相互很接近，形成强共价键 的结合。这种晶体结构形式决定了碳化硼具 有超硬、高熔点(2450℃)、密度低(2.55g/cm3) 等一系列的优良物理化学性能。
碳化硼陶瓷的应用
TiC粉末制备技术
TiC 陶瓷性能与应用
碳化硅陶瓷的制备
碳化硅粉体的制备方法较多，有最古老的Achesan法， 也有近十几年发展起来的激光法与有机前驱体法。以 下是几种典型的碳化硅合成方法。 (1)Acheson法它是采用碳热还原过程将SiO2与C反应生 成SiC，反应方程式如下: SiO2 + 3C SiC + 2CO (2)甲烷气相反应法: Si +3CH4 电弧 SiC + H2
碳化硅陶瓷
碳化硅(SiC)俗称金刚砂，又称碳硅石，是一种典型的共价键结 合的化合物，自然界几乎不存在。1890年Edword和G. Acheson在 碳中加硅作为催化剂想合成金刚石时，制备了碳化硅。直到今 天，它还在继续得到研究与发展。 碳化硅(SiC)的最初应用是由于其超硬性能，可制备成各种磨 削用的砂轮、砂布、砂纸以及各类磨料，而广泛地用于机械加 工行业。第二次世界大战中又发现它还可作为炼钢时的还原剂 以及加热元件，从而促使它快速发展。随着人们研究的深人， 又发现它还有许多优良性能，诸如，它的高温热稳定性、高热 传导性、耐酸碱腐蚀性、低膨胀系数、抗热震性好等。 1974年，美国科学家S. Prochazka首先成功地采用亚微米级的β －SiC和少量B、C添加剂为原料，通过无压烧结工艺成功制得了 致密的碳化硅陶瓷。从此，碳化硅陶瓷开始工业化产。
4 陶瓷材料解析
3. 陶瓷材料的物理化学性能特点
熔点很高，大多在2000℃以上，具有很高的耐热性。 线膨胀系数小，导热性和抗热振性都较差，受热冲击 时容易破裂。 化学稳定性高，抗氧化性优良，对酸、碱、盐具有良 好的耐腐蚀性。 有各种电学性能，大多数陶瓷具有高电阻率，少数陶 瓷具有半导体性质。
许多陶瓷具有特殊的性能，如光学性能、电磁性能。
12
3. 陶瓷材料的力学性能特点
高硬度，一般为1000~5000HV，而淬火钢为 500~800HV，因而具有优良的耐磨性。 弹性模量高，刚度大，是各种材料中最高的。 抗拉强度很低，抗弯强度稍高，抗压强度很高， 一般比抗拉强度高10倍。
塑性、韧性低，脆性大，在室温下几乎没有塑性。
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Al2O3化工、耐磨陶瓷配件
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氧化铝陶瓷转心球阀
氧 化 铝 陶 瓷 密 封 环
95瓷纺织件
29
99瓷纺织件
微晶氧化铝（微晶刚玉）
硬度极高，红硬性达1200℃，可作切削淬火钢 刀具、金属拔丝模等。
很高的电阻率和低的导热率，是很好的电绝缘 材料和绝热材料。 强度和耐热强度均较高（是普通陶瓷的5倍）， 是很好的高温结构材料，如可作内燃机火花塞、空 压机泵零件等。
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4. 陶瓷材料的工艺特点
陶瓷是脆性材料，大部分陶瓷是通过粉体成形 和高温烧结来成形的，因此陶瓷是烧结体。 （1）坯料制备 （2）成形（可塑法、注浆法、压制法） （3）烧结
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烧结体也是晶粒的聚集体，有晶粒和晶界，所 存在的问题是其存在一定的气孔率。
Al2O3粉末的烧结组织 ZrO2陶瓷中的气孔
32
部分稳定氧化锆组织
33
氧化锆中四方相向单 斜相的转变可通过应力诱 发产生。 当受到外力作用时， 这种相变将吸收能量而使 裂纹尖端的应力场松弛， 增加裂纹扩展阻力，从而 大幅度提高陶瓷材料的韧 性。
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4) 自蔓延高温合成法(SHS法)
该方法是近年来发展起来的难熔化合物的制备 方法，也是一种化合反应方法，一般化合法是 依靠外部热源来维持反应的进行，而SHS法则 是依靠反应时自身放出的热量维持反应的进行， 计算表明SiC的绝对温度为1800℃ (放热反应 使产物达到的最高温度)。
碳化物在非常高的温度下均会发生氧化，但许多 碳化物的抗氧化能力都比W、Mo等高熔点金属好， 这是因为在许多情况下碳化物氧化后所形成的氧 化膜具有提高抗氧化性能的作用。
各种碳化物开始强烈氧化的温度如表5-4-1所示。
表5-4-1 各种碳化物开始强烈氧化的温度
碳化物
强烈氧 化温度
/℃
TiC ZrC TaC NbC VC Mo2C WC
9.2
33.4
B4C 六方 2450 2.51
0.3~0.8
28.8
9.3
49.5
TiC 立方 3160 4.94 1.8~2.5x10-4
17.1
8-9
30.0
HfC 立方 3887 12.2 1.95x10-4
22.2
29.1
ZrC 立方 3570 6.44
7x10-5
20.5
80 1.2x10-5
SiO继续被碳还原： SiO＋2C→SiC＋CO(g)
3) 气相沉积法
气相沉积法可以分为化学气相沉积法(CVD)和物 理气相沉积法(PVD)。根据气相加热方式的不同， 又可分为等离子体CVD法、激光CVD法、热CVD 法等。PVD法主要利用了蒸发－冷凝机理(如电弧 法)；而CVD法则是利用硅的卤化物(SiX)和碳氢化 物(CnHm)及氢气在发生分解的同时，相互反应生 成SiC。这些方法可以制备高纯度的SiC粉末，也 可以得到晶须或者薄膜，其反应通式如下：
9
24.5
各种材料的硬度比较
硬 度
淬水高硬氧碳碳含碳立金
火晶速质化化化钒化方刚
钢
钢合铝钨硅高硼氮石
金
速
化
钢
硼
本节重点介绍SiC、B4C、 TiC这三种最重要的高温碳 化物结构陶瓷材料。
一、SiC陶瓷
1 .基本特性
SiC具有金刚石晶体结构，存在牢固的共价键。 硬度高(Hv=25GPa)，强度好(室温300~500MPa, 1400℃不
1500~1600℃降到1400~1450℃，
所得到的SiC粉末具有良好的
可烧结性。
图5-4-1氨解无机溶胶-凝胶工艺 制备的单分散纳米SiC粒子的
TEM照片
SiC陶瓷烧结的添加剂:
(1)SiO2、SiC粉末在一定条件下发生氧化反应，其表层形 成SiO2薄膜，这样就有可能在不加任何活化剂时，靠 SiO2薄膜将颗粒结合起来。
大部分碳化物在高温和氮作用生成氮化物。
表5-4-2 各种碳化物主要性能
碳化 物
晶系
熔点/oC
密度 /g·cm-3
电阻率 /Ω·cm
SiC （α）
六方
3.2
10-5~1013
热导率 /W·m-1·K-1
33.4
硬度
莫氏
显微硬度 /GPa
SiC （β）
立方
2100 (相变)
3.21
107~200
4
般是键性很强的共价键，因此，非氧化物陶瓷一般比 氧化物难熔和难烧结。
典型碳化物陶瓷材料有碳化硅(SiC)、碳化硼 (B4C)、碳化钛(TiC)、碳化锆(ZrC)、碳化钒(VC)、 碳化钽(TaC)、碳化钨(WC)和碳化钼(Mo2C)等。 它们的共同特点是熔点高，许多碳化物的熔点都 在3000℃以上，其中HfC和TaC的熔点分别为 3887℃和3880℃。
5.4 碳化物陶瓷
非氧化物陶瓷：是包括金属的碳化物、氮化物、硫 化物、硅化物和硼化物等陶瓷的总称。
非氧化物陶瓷在以下三方面不同于氧化物陶瓷： 1）非氧化物在自然界很少存在，需要人工来合成原料。 2）在原料的合成和陶瓷烧结时，易生成氧化物，因此必
须在保护性气体（如N2、Ar等）或者真空中进行； 3）氧化物原子间的化学键主要是离子键，而非氧化物一
SiC
1100~1400
800~1100 500~800 1300~1400
表5-4-2为几种常见碳化物的主要性能。
从表中可以看出，大多数碳化物都具有良好的 电导率和热导率，且许多碳化物都有非常高的 硬度，特别是B4C的硬度仅次于金刚石和立方 氮化硼，但碳化物的脆性一般较大。
过渡金属碳化物不水解，不和冷的酸起作用， 但硝酸和氢氟酸的混合物能侵蚀碳化物。
以高纯硅和天然石墨为原料(Si/C=2.33:1)，采 用自蔓延工艺，在石墨炉中于1300℃下反应 大约3.5h，得到了β-SiC粉体。
5) 溶胶-凝胶法
有学者以硅溶胶和碳黑为原料， 采用氨解无机溶胶-凝胶工艺获 得了粒径为50nm左右的单分散 球形SiC粒子。
在溶胶-凝胶过程中添加硼酸后， 可制备含硼的β-SiC粉末，并 且合成温度由不加硼时的
(2)硅酸铝质材料。加入硅酸铝等粘土作为增塑剂，使SiC 获得较好成型性能，将颗粒结合起来；同时作为烧结组分， 降低烧结温度，一般烧成温度为1400℃左右。
(3)高铝质材料。加入粘土及Al2O3或只加入Al2O3，烧成 温度为1200℃～l 450℃。
3、碳化硅陶瓷制造工艺
（1）热压烧结
高压烧结：对于纯SiC粉末即使在2350℃和60MPa条 件下热压，材料的相对密度才略高于80％，因为纯SiC 不生成液相，从而很难实现致密化，但是温度略微降 低(不低于2000℃)而提高压力(如＞350MPa)，却可使 SiC材料获得较高的致密度。在烧结过程中高压的作用 可以使颗粒彼此滑移，增大颗粒间接触总表面积，加 速材料的致密化进程。
下降)，热导率高(120W/m.K)，抗氧化性好(在空气中可在 1500℃以下长期使用)。 SiC有多种晶型，低温型为立方相β-SiC，2100℃向高温型αSiC转变。β→α转化是单向的，不可逆的，只有在特定条件 下(高温、高压)才发现α→β的转变。 SiC没有熔点，2300℃开始升华，在0.1MPa下于 2760℃±20℃分解为Si蒸气和石墨。
2、原料的制备
SiC的合成方法主要有化合法、碳热还原法、气相 沉积法、自蔓延(SHS)法、溶胶-凝胶法等。
1) 化合法 将单质Si和C在碳管电炉中直接化合而成，其 反应式如下：
Si＋C → β-SiC
2) 碳热还原法 这种方法是由氧化硅和碳反应生成碳化物， 反应式如下：
SiO2＋C→SiO(g)＋CO(g)