反应烧结碳化硅研究进展
反应烧结SiC的制造和性能
反应烧结SiC的制造和性能新型陶瓷材料由于具有各种特殊的性能被应用于许多工业领域,为解决材料使用问题发挥着越来越重要的作用。
新型陶瓷具有多种功能,按性能分为电学、电子功能、力学功能、光学功能、热学功能、生物功能等等。
近几年来,特别引起人们注意的是机械力学功能陶瓷。
我们根据省科委下达的科研项目,通过大量调研,开展了对反应烧结SiC材料制造与性能的研究。
利用传统的SiC粉料,采用压制成型工艺传统烧成法制造不出高密度SiC 材料,如采用热压烧结、无压烧结或反应烧结工艺可达到其目的。
反应烧结SiC 已是30多年来的商品化材料,首先是出现在美国的气相渗硅工艺,以后英国原子能协会的反应堆高性能材料元件通过液相渗硅工艺研制成功,后来各国对此材料采用挤出成型、等静压成型、压制成型、注浆成型、注射成型等不同工艺进行了详细的研究,分别制造出了机械密封件、轴承、火箭喷嘴、烧嘴、阀件、发动机转子等多种部件,其中部分已形成商品化应用到工业中取代硬质合金等昂贵的金属材料,取得了显著的经济效益。
工艺概述RB-SiC是由于碳化硅粉与石墨或炭黑混合,加入少量粘结剂,通过各种成型方法成型,去掉粘结剂后,将坯体放在特殊设计的真空炉中,使之与熔硅接触,坯体被融硅润湿、渗透,Si与坯体枝、中的石墨或C反应形成新SiC沉积到原来的SiC上,把原来的SiC结合在一起,剩余的气孔由Si填充。
最终的制品含有约8-10%的游离Si,该材料的特点是可通过调节坯体中C含量来调节制品的游离Si量,从而制造不同性能的制品。
SiC材料各相含量的控制原理反应烧结SiC的一个重要特点是在坯体渗Si后尺寸无变化或很少有变化,因此要形成理论密度的SiC,坯体中必须含有一定量气孔,以满足石墨或C转化成SiC时的体积增大的需要,假如坯体全由C组成,理论最大C密度应按如下计算:C + Si →SiC12 40SiC理论密度3.12g/cm³,40g SiC体积应为12.46 cm³,这时12g C分散到12.46 cm³中就可能全部生成SiC,故最大C密度为d th = 0.963g/cm³如果在C中加入部分α-SiC作为稀释剂,C在其中占得分数为x,则实现全部C转化所需的理论坯体密度为:d th1= 3.21 / (1+2.33x)由该式可看出x ↑d th1 ↓ ,但SiC周围的C密度仍保持为0.963g/cm³,虽然可假定坯体2石墨或C均匀分布,但由于在成型过程中的不均匀现象,可能会造成某区域出现C密度大于0.963g/cm³,从而未反应的C 会影响材料的性能。
反应型C SiC材料的研制
宁夏大学本科毕业论文答辩
实验原理
和含C 反应烧结 SiC又称自结合 SiC,是由 SiC、C和含 又称自结合 , 、 和含 结合剂按一定比冽混合制成坯体, 结合剂按一定比冽混合制成坯体,坯体可以用一种常 规陶瓷成型技术成型(如干压、泥浆浇注、650℃左右(由于实验中选取的原料纯度 然后加热到 ℃左右( 较高、 较高、并且所用马弗炉上限温度限制因此反应温度仅 ),高温下所用粘合剂高温裂解 在1100℃左右),高温下所用粘合剂高温裂解,转化 ℃左右),高温下所用粘合剂高温裂解, 出骨架碳结构与SiC颗粒结合起来。由于工业所生产的 颗粒结合起来。 出骨架碳结构与 颗粒结合起来 碳化硅中有大量游离硅存在, 碳化硅中有大量游离硅存在,所以会和加入的石油焦 进一步反应,生成碳化硅。 进一步反应,生成碳化硅。 反应方程式如下所示
Si(s) +C(s)=SiC(s)
(2-1) )
宁夏大学本科毕业论文答辩
实验设计框图
实验步骤示意框图如下所示
宁夏大学本科毕业论文答辩
实验条件探索
1、样品中碳化硅粗细颗粒配比探索 、 通过对碳化硅不同颗粒进行粗细配比, 通过对碳化硅不同颗粒进行粗细配比,然后制样进行性能 测试,得出性能较好的粗细配比度, 测试,得出性能较好的粗细配比度,确定后进行下一步加入 石油焦的比对实验。 石油焦的比对实验。 2、样品中添加粘结剂糊精比例探索 、 实验比例分别按照3%、 、 进行比对 进行比对, 实验比例分别按照 、5%、7%进行比对,将干粉加 入到原料中,将蒸馏水加热到95℃左右, 入到原料中,将蒸馏水加热到 ℃左右,倒入混合料中进 行搅拌,在不断加入蒸馏水的过程中观察混料的粘合情况, 行搅拌,在不断加入蒸馏水的过程中观察混料的粘合情况, 在干燥后观察形貌,是否有断裂出现。 在干燥后观察形貌,是否有断裂出现。 3、添加石油焦比对实验 、 经过前两步的实验可以选定碳化硅粉M2为主要相, 经过前两步的实验可以选定碳化硅粉 为主要相, 为主要相 粗细颗粒比例M1:M2:M3为3:4:3进行原料配比,粘合 进行原料配比, 粗细颗粒比例 为 进行原料配比 剂糊精的比例可以选取3%加入原料中进行反应 加入原料中进行反应。 剂糊精的比例可以选取 加入原料中进行反应。研究 石油焦加入后样板的品质是否有所提升
碳化硅结合氮化硅制品的发展现状
碳化硅结合氮化硅制品的发展现状氮化硅结合碳化硅制品是近30年发展起来的一种高科技耐火材料。
1955年,美国Casrborunduln公司在生产硅酸盐结合碳化硅制品的基础上研制成功,并获得了专利权。
1960年日本TKR公司引进美国的此项技术并成功应用[1~2]。
氮化硅和碳化硅均为共价键极强的化合物,有相似的物理和化学性能,在高温状态下仍保持较高的键合强度。
硅粉均匀包围碳化硅,经过高温氮化反应,形成致密的网络结构,因此氮化硅结合碳化硅制品具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损、耐冲刷、抗氧化等一系列优异性能,且对氢氟酸以外的所有无机酸都具有良好的抵抗性,不被金属液尤其是非铁金属液润湿,能耐大部分有色金属熔融液的侵蚀。
作为高级耐火材料在各种气氛中正常使用温度可达1500 ℃左右,广泛用于陶瓷、有色冶金、钢铁冶金、粉末冶金、化工等行业。
1 氮化硅结合碳化硅制品的主要制备方法氮化硅的制备方法包括:硅粉直接氮化法、碳热还原二氧化硅法、Si(NH)2热分解法、SiH4和NH3气相反应法。
通常情况下,反应烧结氮化硅结合碳化硅制品中氮化硅生成方法为硅粉直接氮化法,高温下通过氮向硅粉粒子内部扩散,化合生成氮化硅[6~7]。
氮化硅结合碳化硅制品制备经过七个步骤:原料处理、配料、混料、成型、干燥、氮化烧成、产品检验。
氮化原料主要采用工业用绿碳化硅和硅粉,经破碎、水洗等方法进行原料预处理,根据配方(表1)称量碳化硅砂及硅粉,按要求把不同粒度的碳化硅原料放入混料机内干混,然后加入有機结合剂温混,充分搅拌15~20 min,过筛后,放入料仓进行闷料储存24 h。
将闷好的料准确称量后,均匀放入模具中,振动加压成型,再经真空吸盘转移到储坯车上,放入干燥室内干燥,干燥温度以100℃~120℃为好。
干燥过程中应严格控制升温速度,以免坯体出现变形或开裂。
坯体一般干燥时间为3天,干燥完成后经精修坯体和生坯检测,合格的进入氮化炉烧成。
氮化过程中,当温度升至700℃~1450℃进行抽真空后向氮化炉中充入纯度为99.99%以上的氮气直至反应完成。
无压烧结碳化硅和反应烧结碳化硅
无压烧结碳化硅和反应烧结碳化硅1. 无压烧结碳化硅概述无压烧结碳化硅,是指在常温下将性质相似的碳化硅粉末,加入一些助烧剂和黏结剂,制成形状结构,然后在高温下进行烧结,最终得到密度较高、耐磨性、高温稳定性好的碳化硅制品。
无压烧结碳化硅制品具有优秀的耐火、耐高温、抗氧化、耐腐蚀和机械性能,广泛应用于电力、机械、化工、航空、国防等领域。
(1)原材料选择制备无压烧结碳化硅的前提是有高纯度、均匀粒度的碳化硅粉末。
这些碳化硅粉末通常由精细的制粉技术生产,在制粉过程中需要精确控制加工参数,以达到粒度均匀、纯度高的要求。
助烧剂的作用是增加烧结时粉末之间的相互作用力,促进颗粒在高温下的结合。
常用的助烧剂有硼酸和氮化硼等,它们在零压下也可以发生反应,可以形成高温稳定的氧化硼相和氮化硼相,从而增加碳化硅粉末的压实性和烧结性能。
(2)混合成型在混合成型工艺中,需要添加一定量的黏结剂将碳化硅粉末粘结成一定形状的工件。
常用的黏结剂有水玻璃、聚合物等。
在添加黏结剂的同时,需要注意黏结剂的种类和粘接度,以确保烧结时得到均匀、有力的结合。
(3)烧结在烧结过程中,需要加热到高温,以使粉末颗粒之间形成化学键和相互作用力,从而形成一个致密的烧结体。
烧结温度和时间的选择是制备无压烧结碳化硅制品的关键,它们需要根据样品的具体情况和使用要求进行调整。
反应烧结碳化硅是一种通过碳化硅和碳在高温下反应得到的制品。
与无压烧结碳化硅不同,反应烧结碳化硅不需要额外添加助烧剂和黏结剂,因此烧结后的制品质量更加稳定、坚固。
4. 反应烧结碳化硅的制备工艺反应烧结碳化硅的原材料包括碳和碳化硅,碳化硅通常为高纯度,且添加量和粒度要保持在一定范围之内。
碳和碳化硅混合后,需要通过机械手段进行均匀混合。
(3)热压成型反应烧结碳化硅的热压成型包括冷压和热压两个阶段。
在冷压阶段,需要加压,以使碳和碳化硅颗粒初步结合。
在热压阶段,需要加热至高温,使碳和碳化硅颗粒完全反应生成碳化硅,并在高温下压缩成一体。
国内外碳化硅陶瓷材料研究与应用进展
国内外碳化硅陶瓷材料研究与应用进展一、本文概述碳化硅陶瓷材料,作为一种高性能的无机非金属材料,因其出色的物理和化学性能,如高强度、高硬度、高热稳定性、良好的化学稳定性以及低热膨胀系数等,在航空航天、汽车、能源、电子等多个领域具有广泛的应用前景。
本文旨在全面综述国内外碳化硅陶瓷材料的研究现状、发展趋势和应用领域,以期为相关领域的科研人员和技术人员提供有价值的参考。
本文首先回顾了碳化硅陶瓷材料的发展历程,并分析了其独特的物理和化学性质,以及这些性质如何使其在众多领域中脱颖而出。
随后,文章重点介绍了国内外在碳化硅陶瓷材料制备工艺、性能优化、结构设计等方面的研究进展,包括新型制备技术的开发、复合材料的制备与应用、纳米碳化硅陶瓷的研究等。
文章还讨论了碳化硅陶瓷材料在航空航天、汽车、能源、电子等领域的应用现状及未来发展趋势。
通过本文的综述,我们期望能够为碳化硅陶瓷材料的研究与应用提供更为清晰和全面的视角,推动该领域的技术进步和创新发展。
我们也期待通过分享国内外的研究经验和成果,为国内外科研人员和技术人员搭建一个交流与合作的平台,共同推动碳化硅陶瓷材料的发展和应用。
二、碳化硅陶瓷材料的制备技术碳化硅陶瓷材料的制备技术是决定其性能和应用领域的关键因素。
经过多年的研究和发展,目前碳化硅陶瓷的主要制备技术包括反应烧结法、无压烧结法、热压烧结法、气相沉积法等。
反应烧结法:反应烧结法是一种通过碳和硅粉在高温下反应生成碳化硅的方法。
这种方法工艺简单,成本较低,但制备的碳化硅陶瓷材料致密度和性能相对较低,主要用于制备大尺寸、低成本的碳化硅制品。
无压烧结法:无压烧结法是在常压下,通过高温使碳化硅粉末颗粒之间发生固相反应,实现烧结致密化。
这种方法制备的碳化硅陶瓷材料具有较高的致密度和优良的力学性能,但烧结温度较高,时间较长。
热压烧结法:热压烧结法是在加压和高温条件下,使碳化硅粉末颗粒之间发生固相反应,实现快速烧结致密化。
这种方法制备的碳化硅陶瓷材料具有极高的致密度和优异的力学性能,但设备成本高,生产效率较低。
【国家自然科学基金】_反应烧结碳化硅_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140730
推荐指数 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2013年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
科研热词 颗粒级配 碳化硅陶瓷 碳化硅 注浆成型 反应烧结 冲蚀磨损 陶瓷基复合材料 金刚石-碳化硅 纳米碳颗粒 真空气相反应渗透 热膨胀系数 氧化行为 杨氏模量 显微结构 孔隙率 多孔陶瓷材料 lialsio4
推荐指数 4 4 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2009年 序号 1 2 3 4 5 6
科研热词 表面改性 粗糙度 散射 si膜 s-sic rb-sic
推荐指数 1 1 1 1 1 1
2010年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
2012年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
科研热词 碳化硅 过滤材料 表面轮廓 蜂窝陶瓷 纸张 石墨 核主泵 机械密封 有色金属熔液 摩擦学性能 多孔碳化硅 复层结构 反应连接 内加热器套管 仿生设计 rb-sic反射镜
推荐指数 3 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2011年 科研热词 碳化硅 陶瓷连接 氮化硅 氧化钆 力学性能 陶瓷先驱体 锆英石 钛碳化硅 造孔剂 聚硅氧烷(sr355) 聚硅氧烷 耐火材料 纳米si粉 碳化钛 碳化硅陶瓷 碳化氮化 硅 相平衡:相图 相平衡 相图 热压烧结 木质陶瓷 木纤维 无压烧结sic 多孔陶瓷 复相陶瓷 埋碳 原位合成 二硼化钛 silicon nitride silicon carbide phase equilibrium phase diagram gadolinium oxide 推荐指数 5 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
碳化硅陶瓷的液相烧结及其研究进展
碳 化 硅 陶瓷 的液相 烧 结 及 其 研究 进 展
武 卫兵 ‘靳 正 国 ,
( 1四沙股 份有限公 司, 淄博 255 ; 天律 太学 , 505 2 天津 3 07 ) 002
摘要 : 奉文 对碳化 硅 波相烧 结添加 系统及 其 烧 结机 理作 了论 述 。有 氧化 物 参 与 的碳 化硅 的液相烧 鲒可 以降低碳 化硅 的烧 结 温度 , 促进 碳化硅 的致 密化 , 高碳 化硅 陶 瓷的性 能。沿 晶 提 断 裂和 穿晶断 裂混合 断裂机 理是 液相 烧结碳 化硅 陶瓷 强度 和韧性提 高的原 因。表 面强化和韧 化 可 以进 一步提 高碳 化 硅 陶瓷材料 的性 能
一
物陶瓷因为耐高温、 耐腐蚀、 耐磨和高温强度高等 优点 在机 械 、 工 、 源 、 工 等 方 面具 有潜 在 的 化 能 军
应用 前景 , 为最 具前途 的 高温结构 材料 。 成 7 0年代初 ,reak Pohza首先 以少 量 的 B、 为 C作 添加剂, 在无任 何 压 力 条 件下 获 得 致密 的 碳 化 硅 烧结 体 以来 , 化 硅 陶 瓷 的 研 究 迅 速 发 展 。但 碳 SCBC系统 属于 固相烧结 范 畴 , 要较 高的烧 结 i.. 需 温 度 ( 20  ̄ , > 10C)并且 断裂韧 性 较低 , 较强 的 裂 有 纹强 度敏 感性 ; 结构 上表 现 为 晶粒 粗 大 且均 匀 在 性差 , 裂模 式 为典 型 的 穿 晶断 裂 模式 这种 高 断 脆 性 和 高 的 烧 结 温 度大 大 限 制 了 SC陶 瓷 的 使 i
剂系统 , 使液相烧结碳化硅陶瓷的抗氧化性、 抗热 震 性 、 度和 韧性 等得到 进一 步发展 。 强
2 液相烧结添加剂 的选择
SiC烧结的研究进展
收稿日期:2001-06-02基金项目:863新材料领域专家委员会资助项目,(863-715-0230)作者简介:武安华(1969-),男(汉),河南沁阳人,博士生,从事先进陶瓷粉末冶金方面的研究。
SiC 烧结的研究进展武安华,曹文斌,李江涛,葛昌纯(北京科技大学特种陶瓷粉末冶金研究开发中心,北京100083)摘 要:回顾了50年来SiC 烧结领域研究所取得的成果,在这些成果的基础上,探讨了SiC 固相烧结及液相烧结的烧结机理,并对不同烧结条件下,SiC 烧结体的微观结构及物理化学性能进行了比较。
在回顾和总结过去成果的基础上,结合研究现状,对该领域研究发展的趋势进行了展望。
关键词:SiC;固相烧结;液相烧结;微观结构中图分类号:TF125.4 文献标识码:A 文章编号:1006-6543(2002)03-0028-05PROGRESSINSiCSINTERINGWUAn 2Hua,CAOWen 2bin,LIJiang 2tao,GEChang 2chun(LaboratoryofSpecialCeramicsandP/M,UniversityofScienceandTechnology,Beijing100083,China)Abstract:TheprogressinSiCsinteringforpastfivedecadesisreviewed.Basedontheob 2tainedresults,themechanismsofSiCsolidstatesinteringandliquidphasesinteringare discussed.ThemicrostructureandphysicalandchemicalpropertiesoftheSiCsinteredby differentprocessesarestudied.Consideringtheproblemstobesolved,thedevelopment trendsinthisareaarepredicted.Keywords:siliconcarbide;solidstatesintering;liquidphasesintering;micro2structure 碳化硅陶瓷具有耐高温、抗热震、耐腐蚀、抗冲刷、耐磨、重量轻及良好的热传导性能等优点。
反应烧结碳化硅研究进展
反应烧结碳化硅研究进展武七德 洪小林 黄代勇(武汉理工大学马房山校区西院材料学院,武汉 430070) 摘 要 对有关反应结合碳化硅(R BSC )材料的研究进展作了综述,并对存在的问题和今后可能的发展方向提出了自己的见解,包括:进一步提高性能;降低游离硅含量,提高使用温度;提高材料的可靠性和稳定性;低成本化。
关键词 反应烧结 碳化硅 性能作者简介:武七德(1950~),男,副研究员.1 引言碳化硅具有各种优异的性能,如超硬耐磨、高热导率和机械强度、低热膨胀系数、耐化学腐蚀、高温稳定性(直到2500℃的分解温度)、有用的电阻特性等。
碳化硅是所有非氧化物陶瓷中抗氧化性能最好的一种。
以上的性能使得碳化硅作为一种结构材料广泛用于高温、高压、腐蚀、辐射、磨损等严酷条件下的工业领域如机械密封件、高温热交换器、高温陶瓷辐射燃烧器、高载荷长寿命窑具、航空发动机燃烧室、核燃料冷却堆包覆材料以及高温气冷堆的炉衬材料等,碳化硅也是陶瓷发动机部件的候选材料之一。
用反应烧结工艺制备的反应结合碳化硅(Re 2action Bonded Silicon Carbide —RBSC ),秉承了碳化硅陶瓷的所有优点包括强度高、硬度高、抗热震性好、耐磨性和耐腐蚀性好、导热系数高、膨胀系数低和优异的抗氧化性能,且气孔率低(~0.5%),是一种性能优良的高技术陶瓷材料。
反应烧结碳化硅的基本原理如下:高温下硅渗入含碳坯体,并与碳反应生成碳化硅,使坯体获得烧结。
反应烧结工艺的特点决定了其中一般含有量8%~12%(质量分数)左右的游离硅,其余为碳化硅。
反应烧结具有工艺简单,烧结时间短,烧结温度和成本远低于热压和无压烧结碳化硅,净尺寸烧结(烧结前后尺寸无变化),易制备大型复杂形状制品等优点。
正是由于反应烧结碳化硅的各种优异性能及该工艺的优点,使得RBSC 成为一种最早实现大规模工业应用的结构陶瓷,具有及广阔的应用前景。
但是游离硅的存在使得RBSC 的使用温度一般低于1380℃,脆性材料的本质也限制了RBSC 的进一步应用。
碳化硅反应烧结
碳化硅反应烧结
碳化硅反应烧结
一、什么是碳化硅反应烧结?
碳化硅反应烧结(Carbon/Silicon Reaction Sintering)是指利用添加大量碳源或碳化剂的碳化硅反应前处理,将颗粒材料在真空及亚真空环境中高温热处理成块状固体物质的烧结方法。
它是一种全新的烧结过程,可以很好地解决陶瓷材料大尺寸因低烧结温度而产生结晶形式缺陷等问题。
二、碳化硅反应烧结的优点
(1)有效改进碳化硅材料的结晶形式,提高碳化硅材料的结晶度,可以有效提高材料的物理性能;
(2)由于采用的是真空烧结,可以有效降低烧结过程中产生气体的影响,减少因气体的堵塞等原因而引起的内部缺陷;
(3)由于温度可以调节,有效的控制了碳的形成,从而提高了烧结的速度与均质性,大大缩短了制备时间;
(4)可以有效降低烧结时引起的裂纹的产生,从而提高碳化硅材料的内部结构的性能。
三、碳化硅反应烧结的缺点
(1)由于需要化学反应,烧结过程中会出现冒黑烟,产生大量有毒有害的气体,破坏环境;
(2)由于热处理温度和时间的限制,由此产生的碳化硅材料对荷重的延伸能力有所限制,减少了部分碳化硅材料的性能;
(3)由于需要额外的化学反应,材料的成本会增加,影响经济效益。
真空反应烧结获取碳化硅的工艺
真空反应烧结获取碳化硅的工艺1.引言1.1 概述概述部分可以介绍文章的主题和内容,以及碳化硅在工业领域的重要性。
以下是一个示例:概述随着科技的不断发展,碳化硅作为一种重要的功能陶瓷材料,被广泛应用于多个工业领域。
在制备碳化硅材料的过程中,真空反应烧结技术成为一种重要的制备方法,具有高度的适应性和优越的性能。
本文将重点介绍真空反应烧结获取碳化硅的工艺,详细讨论了其工艺原理和步骤。
同时,我们还会对碳化硅的性质和应用进行探讨,包括它的物理性质和广泛应用于工业领域的各个方面。
在真空反应烧结工艺中,通过在高温和高真空环境下进行粉末烧结,可以获得高纯度的碳化硅材料。
这种工艺具有独特的优势,如高密度、均匀性好、化学稳定性高等,适用于各种碳化硅制品的制备。
此外,我们还将总结真空反应烧结工艺的优势,并展望未来该工艺的发展趋势。
通过深入研究和改进该工艺,我们有望进一步提高碳化硅材料的品质和性能,满足不断发展的科技需求。
综上所述,本文将全面介绍真空反应烧结获取碳化硅的工艺,并探讨其在工业领域的重要性和应用前景。
希望通过本文的阐述,能够增进对该工艺和碳化硅材料的理解,为相关领域的研究和应用提供参考。
文章结构部分的内容可以描述整篇文章的结构安排和各个章节的主要内容。
以下是一个可能的写作内容:1.2 文章结构本篇文章主要分为引言、正文和结论三个部分。
引言部分包括概述、文章结构和目的三个小节。
首先,概述部分将简要介绍真空反应烧结获取碳化硅的工艺的背景和重要性。
然后,文章结构部分将提供整篇文章的结构安排,包括各个章节的主要内容和关联性。
最后,目的部分将明确说明本篇文章的写作目的。
正文部分是本篇文章的核心,包含两个主要章节:真空反应烧结工艺和碳化硅的性质和应用。
真空反应烧结工艺章节将分为工艺原理和工艺步骤两小节,分别介绍该工艺的基本原理以及具体的工艺步骤和参数。
碳化硅的性质和应用章节则将分别探讨碳化硅的物理性质和广泛应用的领域。
碳化硅致密陶瓷材料研究进展_戴培赟
【摘 要】 碳化硅材料以其优异的性能得到了越来越
广泛的应用,通过简要介绍碳化硅致密陶瓷的制备方法及
其性能和总结近年来国内外的研究进展,来展望碳化硅致
密陶瓷材料的研究发展趋势。
【关键词】碳化硅陶瓷,致密材料,陶瓷烧结
中图分类号 :TQ174.75+8.12
文献标识码 :B
0 引言
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,因此受到很多国家的重视,一直 是材料学界研究的重点,如何制得高致密度的碳化硅陶 瓷也是研究者一直关心的课题。目前用于制备碳化硅致 密陶瓷的方法主要有反应烧结法、无压烧结法、液相烧 结法、热压和热等静压烧结法等,碳化硅陶瓷的性能随 制备工艺的不同会发生一定的变化,本文主要对碳化硅 致密陶瓷的制备方法及其性能进行简单介绍。
碳化硅
碳化硅的合成研究进展摘要:SiC 材料是第三代半导体材料, 广泛运用于军事、航空等领域,这与碳化硅的性质息息相关。
正因为其运用,国外限制该产品的出口。
最早发现碳化硅是在陨石里,大自然给我们带来了宝贝,后来随着人们对其的研究,碳化硅的作用慢慢被发掘,自然界碳化硅的含量本来就很少,从天然提取的碳化硅的量已经远远不能满足我们的需求。
碳化硅的运用前景那么好,人们开始用化学的方法来合成自己需要的多余的部分。
这样,碳化硅的合成方法的研究也就越来越吸引关注,很多人都致力于此项研究工作,其中以碳热还原法为主,其反应条件等都已经研究得比较成功,这才使得碳化硅的合成工艺与技术比较成熟,但改进和提升空间还很大,特别在我国远远没有达到绿色、低碳、节能的要求。
以下介绍了碳热还原发的几种研究进展。
关键词:碳化硅/SiC;用途;合成;碳热还原法;二氧化硅/SiO2。
正文:碳化硅由于化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好,其用途也就很多:(1)作为磨料,可用来做磨具,如砂轮、油石、磨头、砂瓦类等;(2)作为冶金脱氧剂和耐高温材料;(3)高纯度的单晶,可用于制造半导体、制造碳化硅纤维。
在化工一方面可用做炼钢的脱氧剂和铸铁组织的改良剂,可用做制造四氯化硅的原料,是硅树脂工业的主要原料。
碳化硅脱氧剂是一种新型的强复合脱氧剂,取代了传统的硅粉碳粉进行脱氧,和原工艺相比各项理化性能更加稳定,脱氧效果好,使脱氧时间缩短,节约能源,提高炼钢效率,提高钢的质量,降低原辅材料消耗,减少环境污染,改善劳动条件,提高电炉的综合经济效益都具有重要价值。
另一方面用于有色金属冶炼工业的高温间接加热材料,如竖罐蒸馏炉、精馏炉塔盘、铝电解槽、铜熔化炉内衬、锌粉炉用弧型板、热电偶保护管等;用于制作耐磨、耐蚀、耐高温等高级碳化硅陶瓷材料;还可以制作火箭喷管、燃气轮机叶片等。
此外,碳化硅也是高速公路、航空飞机跑道太阳能热水器等的理想材料之一。
碳化硅按其纯度可分为黑碳化硅和绿碳化硅,黑碳化硅,金属光泽,含碳化硅95%以上,强度比绿碳化硅大,但硬度较低,主要用于磨铸铁和非金属材料;绿绿碳化硅,含碳化硅97%以上,主要用于磨硬质合金工具。
国内外碳化硅的研究和发展、
摘要:随着工业的发展和科学技术的进步,碳化硅的非磨削用途在不断扩大,在耐炎材料方面用于制作各种高级耐炎制品,如垫板、出铁槽、坩锅熔池等;在冶金工业上作为炼钢脱氧剂,可以节电,缩短冶炼时间,改善操作环境;在电气工业方面利用碳化硅导电、导热及抗氧化性来制造发热元件——硅碳棒。
碳化硅的烧结制品可作固定电阻器,在工程上还可作防滑防腐蚀剂。
碳化硅与环氧树脂混合可涂在耐酸容器中、蜗轮机叶片上起防腐耐磨作用。
SiC由于具有优良的耐高温、耐磨耗、耐腐蚀及高的热传导性能,近年来受到人们极大关注。
作为一种新型的非氧化物精细陶瓷材料,其研究与应用均取得了长足的发展。
关键词:碳化硅,结构,粉体合成,碳化硅制品正文:一、SiC的结构SiC晶型结构有αβ型二种,α型为六方晶型,β型为立方晶型。
α型SiC 的分解温度在2400度左右,称为高温异形体2在温度低于2000度时,SiC以β型方式存在,称为低温异形体。
立方晶型的β—SiC可在1450度左右由简单的硅和碳混合物制得,温度高时β—SiC 会转相生成α—SiC。
SiC没有一个固定的熔点,在密堆积系中,在1bar 总压力下,约在! 0.3!时分解成石墨和富硅熔融物,此温度是形成SiC晶体的最高温度。
在松散的堆积系中,SiC在2300度左右开始分解,形成气态硅和石墨残余物。
二、SiC粉体的制作方法SiC粉体的制作方法大体可分为两大类。
一是把由固相得到的粗粒子进行粉碎的分解方法;另一类是用气相法等直接合成SiC 细粉末的聚集方法。
这两大类方法根据原料的种类和加热方式的不同,又被分成几种。
(1)A cheson法这是一种最古老的工业化生产SiC的方法,把硅石和焦炭进行混合作为原料,充填在石墨炉芯的周围,给炉芯通电加热,使炉芯周围温度达2500度以上,反应生成物在此温度下反复进行再结晶,就得到了从晶粒成长起来达数cm厚度的α—SiC块状物。
其反应分两部进行:得到的块状物一般要选其紧靠炉芯的α—SiC部分,在粉碎后经精制、分级等步骤,最后得到α—SiC粉体。
反应烧结碳化硼碳化硅复合材料的研究
凝胶注模成型是制备高性能坯体的一种有效方法,获得高固相体积含量(≥50vol%)、低粘度的料浆是成型的关键所在,但炭黑粒子由于粒径很小(30nm左右),表面积很大,所以易团聚而难以分散均匀。且料浆固相含量过高时,成型的坯体碳密度也会过高而导致烧结困难。为了解决炭黑的分散及成型后坯体碳密度过高的问题,通过加入成孔剂制备了一种低密度的二次炭黑粒子,然后再凝胶注模成型。研究表明,通过制备二次粒子,采用合适的分散剂、级配工艺可以得到高固相、低粘度的料浆且成型后的坯体碳密度合适。最终通过反应烧结获得了密度为3.08g/cm<'3>,室温三点抗弯强度为432MPa的PCRBSC材料。
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图4-8不同B‘C含量烧结体的金相显微照片
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图年8是c含量和固相含量相同的情况下(c含量lO嘶%,固相含量52v01%),
为保证反应烧结的渗硅过程中硅与碳的充分反应,坯体需要具有适当的致密度,既能保证硅的渗入,又能保证坯体及烧结体具有满足应用要求的力学性能。因此,本实验通过调节不同粒径的碳化硅颗粒级配,制备具有一定致密度的坯体,研究原料颗粒级配对坯体密度及烧结体密度的影响。通过对原料颗粒级配的研究,确定了当细碳化硅粉(粒径为3μm)与粗碳化硅粉(粒径为20μm)质量比为3:1时,凝胶注模成型的坯体结构均匀、能够进行机械加工,具有足够的气孔率以保证反应烧结时液硅能够充分渗入坯体内部,与坯体内的碳反应生成碳化硅;同时,凝胶注模成型得到的坯体具有足够的致密度和强度,能够进行机械加工,得到的反应烧结碳化硅具有较高的致密度和力学性能,能够满足在应用中对碳化硅陶瓷力学性能的要求。
碳化硅烧结
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。
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。
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。
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。
反应烧结碳化硅陶瓷
碳化硅制品的全面概述碳化硅制品是何物?如何使用碳化硅制品,我们首先要明确碳化硅的定义,然后知道碳化硅制品的组成部分,用哪些工艺?下面做些简单介绍碳化硅是一种无机非金属材料,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,用于各种要求耐磨、耐蚀和耐高温的机械零部件中。
由于材料工作者的不断努力,其性能有了很大的改进,已成为一种重要的工程材料,在机械、冶金、化工、电子等部门得到广泛的应用。
采用常压烧结方法生产碳化硅瓷制品,其特点是用较高的烧结温度烧结碳化硅的毛坯,使之达到较高的密度,碳化硅的含量达到98%以上。
所得到的碳化硅瓷烧结体耐腐蚀性、抗氧化性能及高温强度均较高。
在1600oC时强度不降低。
因而其制品特别适合于耐磨、耐腐蚀和耐高温的场合使用,如密封环、磨介、喷砂嘴、防弹板等。
特种瓷主要运用到那些方面?特种瓷包括各种材料制作的瓷制品,例如碳化硅材料生产的碳化硅制品,碳化硅密封环,氧化铝材料生产的99瓷,氧化锆材料生产的电解质等等。
所以说,是应用相当广泛的,今天我讲解下应用到高端产品的特种瓷。
1 氧化锆材料生产的特种瓷氧化锆瓷因其拥有较高的离子电导率,良好的化学稳定性和结构稳定性,成为研究最多、应用最为广泛的一类电解质材料。
通过对氧化锆基电解质薄膜制备工艺的改进,降低此类材料的操作温度和制备成本,力争可以实现产业化也是未来研究的重要方向。
2 碳化硅材料生产的特种瓷碳化硅材料是硬度高,成本低的材料,可以生产碳化硅制品,例如碳化硅密封件、碳化硅轴套、碳化硅防弹板、碳化硅异形件等,可以应用到机械密封件上和各种泵上。
在以后的发展中,特种瓷会应用得更加广泛,因为新型材料的不断出现,制作的特种瓷的功能越来越受到人们的欢迎!当今市场上存在哪些碳化硅制品在碳化硅制品行业中,仅仅因为其市场较大,所以涌现了很多的碳化硅制品种类,例如碳化硅密封环、碳化硅轴套、碳化硅轴、碳化硅防弹板等。
1 碳化硅密封环碳化硅密封环主要运用到机械密封件上,动静环配套使用,外加上固定的配件就组成了机械密封件。
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研究表明, Si2Mo 合金浸渗坯体对渗入过程动 力学几乎没有影响[ 12] 。
反应烧结碳化硅的基本原理如下: 高温下硅 渗入含碳坯体, 并与碳反应生成碳化硅, 使坯体获 得烧结。反应烧结工艺的特点决定了其中一般含 有量 8% ~ 12% ( 质量分数) 左右的游离硅, 其余 为碳化硅。
反应烧结具有工艺简单, 烧结时间短, 烧结温
度和成本远低于热压和无压烧结碳化硅, 净尺寸 烧结( 烧结前后尺寸无变化) , 易制备大型复杂形 状制品等优点。
虽然 RBSC 具有许 多优异性能, 但本质上还 是一种脆性材料, 这限制了它在实际工程中的应 用范围。
/ Silicomp0材料中用碳纤维代替碳粉, 虽然生 成的碳化硅保留了碳纤维的原始形貌, 但是由于 这种假纤维形貌的碳化硅并不是真正的纤维, 因 此材料的韧性并不好。随着纤维增强陶瓷基复合
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硅酸盐通报 2002 年第 1 期
关键词 反应烧结 碳化硅 性能
1 引言
碳化硅具有各种优异的性能, 如超硬耐磨、高 热导率和机械强度、低热膨胀系数、耐化学腐蚀、 高温稳定性( 直到 2500 e 的分解温度) 、有用的电 阻特性等。碳化硅是所有非氧化物陶瓷中抗氧化 性能最好的一种。
以上的性能使得碳化硅作为一种结构材料广 泛用于高温、高压、腐蚀、辐射、磨损等严酷条件下 的工业领域如机械密封件、高温热交换器、高温陶 瓷辐射燃烧器、高载荷长寿命窑具、航空发动机燃 烧室、核燃料冷却堆包覆材料以及高温气冷堆的 炉衬材料等, 碳化硅也是陶瓷发动机部件的候选 材料之一。
用 Hucke 工艺制备的 Si/ SiC 复合材料, 最高 断裂强度高达 1GPa, 一般都在 600~ 700MPa[ 4] , 这 是目前所报道的性能最高的 RBSC 材料。
Hucke 法的缺点在于 原料价格昂贵: 坯体前 期制备工艺过程过于复杂; 有机物的制备及其热 解过程放出大量的有毒气体, 污染环境; 难以大规 模工业化。
G1G1Trantina 和 R1L1Mehan 发现这 种 Si/ SiC 复合材料高温下尤其是硅熔点附近的物理性能并 不随加载时间( 加载速度) 发生改变[14] ; 从 Si 熔点 到 1600 e 强度 不变, 但处于较低值, 不到常温强 度值的一半。
R1L1Mehan 等人报道了 SiC 的含量和方向对 这种复合材料性能的影响[15] , 认为, 随着 SiC 含 量的增加, 材料性能提高。以上几篇报道中均提 到渗硅后烧结体中都含有一定量未反应完全的残 余碳。这也是烧结体密度、强度偏低的一个原因。
离硅的含量。它主要是利用高温下硅的蒸汽压比 较高, 使硅从 RBSC 烧结体中挥发。
现 有 研 究 表 明, RBSC 中 的 游 离 硅 经 过 1600 e 、1800 e 的真空热处理能够全部去除; 经过 1800 e 真空热处理的材料的强度均高于 1600 e 真 空热 处理材料的强度。主要原因是 1800 e 真空 热处理过程中碳化硅再结晶以及气孔形状发生变 化[7] 。
另据报道, 一种新型的反应烧结碳化硅材料 正在研究中[5, 6] 。与Hucke 法不同的是, 此种材料 以石油焦为原料, 而不是 C+ SiC, 制备全碳质坯 体, 经高温渗硅烧结而成。
这种工艺虽然难以象 Hucke 工艺那样能够精 确控制 坯体 结构, 性能 也 比 Hucke 工艺 制 备的 RBSC 的性Байду номын сангаас低, 但是由于采用了价格低廉的石油 焦为原料, 生产成本很低, 适合大规模工业化生 产, 因此是一种非常有希望的工艺。
本文对有关这方面的研究进展作了综述, 包 括传统 RBSC、Silicomp、纤维增 强 Si/ SiC 复 合材 料、Hucke 工艺、RBSC 的后续热处理以及合金浸 渗 RBSC 等。
2 各种措施
211 传统反应烧结工艺 早在 50 年代 P1Popper 等人[1] 用反应烧结法
粘结粗碳化硅粉, 制备反应结合碳化硅获得成功。 其制备工艺如下: 将碳化硅粉、碳粉以有机粘
综合评述
材料的研究与开发, 人们试图运用纤维来增强传 统 RBSC 复相陶瓷基体, 制备出强度、韧性优异的 RBSC 复合材料。
用 SiC 纤维部分取代 SiC 粉, 成坯后 SiC 纤维 具有一定排布形态, 烧结体就成为一种连续纤维 增强 RBSC 复相陶瓷材料。
为了防止在复合材料制备过程中 SiC 纤维与 高温熔融硅之间的化学反应, 使纤维与基体之间 产生弱界面结合, 增加断裂过程中纤维的脱粘、滑 移、裂纹偏转、裂纹桥接及纤维拔出等韧化机制, 通常在 SiC 纤维表面涂覆一层厚度约为 3Lm 的 C 和 SiC 层。
另一种类似的材料是渗硅碳化硅( SiSiC) , 它 以 SiC 为原料, 先经高温烧结成所谓/ 重结晶碳化 硅0, 然后再在高温下渗硅, 得到含有部分气孔和 游离硅的 SiC 材料, 也可以不经过高温重结晶烧 结, 而是将碳化硅成型为坯体后直接渗硅, 这样制 备的材料不含气孔。SiSiC 体中没有加入碳, 因此 烧结过程是一个纯粹的物理渗入过程, 没有新的 碳化硅颗粒生成。因为难于制备高密度的坯体,
后加工
图 1 传 统 RBSC 制备工艺
用的方法, 一般称之为传统 RBSC( 见图 1) 。 可以使用硅蒸汽浸渗坯体, 但是发现烧结体
多孔且强度不高[2] , 且要求比较高的烧结温度, 无 法获得完全的致密化, 于是后来改用液硅浸渗坯 体, 并获得成功, 烧结体气孔率几乎为零。
与传统 RBSC 相似的材 料有硅 化石墨 ( Sili2 conized Graphite ) ) ) S2G) , 它是一种前苏联科学家 发明的渗硅工艺, 以石墨为原料, 按照石墨的成型 工艺制备坯体, 经高温渗硅而得。最初的目的是 制备一种 C/ C 复合材料的抗氧化涂层。80 年代 俄罗斯科学家将石墨整体硅化获得成功, 但是由 于石墨分散 ) 成型过程中难以控制坯体结构, 材 料性能并不高。
硅酸盐通报 2002 年第 1 期
综合评述
反应烧结碳化硅研究进展
武七德 洪小林 黄代勇
( 武汉理 工大学马房山校区西院材料学院, 武汉 430070)
摘 要 对有关反应结合碳化硅( RBSC) 材料的研究 进展作了 综述, 并 对存在的 问题和今 后可能
的发展方向提出了自己的见解, 包括: 进一步提高 性能; 降低游 离硅含 量, 提 高使用 温度; 提高材 料的可 靠性和稳定性; 低成本化。
正是由于反应烧结碳化硅的各种优异性能及 该工艺的优 点, 使得 RBSC 成为一种最早实现大 规模工业应用的结构陶瓷, 具有及广阔的应用前 景。
但是游离硅的存在使得 RBSC 的使用温度一 般低于 1380 e , 脆性材料 的本质也 限制了 RBSC 的进一步应用。为了进一步提高 RBSC 的性能, 减少其中游离硅的含量, 提高 RBSC 的使用温度, 扩展其应用范围, 各国材料工作者都加入到了 RBSC 的研究行列中。
碳质多孔坯体, 再经高温渗硅制得了高性能的反 应烧结碳化硅[3] 。它以有机物为原料, 通过化学 反应制得坯体。
Hucke 法制备多孔生 坯的突出优点是: 可以 通过化学反应中浓度、组分、温度等条件, 比较精 确地控制碳质骨架的结构, 比用研磨、混合、粒度 级配等机械操作方法来制备骨架的普通的/ 砌筑0 法要均匀得多, 从而获得高性能的 RBSC 产品。
214 高温合金融渗 RBSC 用耐高温合金组成物如 Si2Mo 取代 Si 渗入坯
体, 溶解的 Mo 析出 MoSi2 同时消耗掉微量的游离 硅, 这样就可以减少游离硅的含量, 同时生成一种 耐高温化合物。
William B. Hillig 指出[9] , 用 Si2Mo 合金取代单 纯的 Si 浸渗 坯体, 有 可能消 除烧结 体中的 游离 硅, 尽管目前的研究尚未获得不含游离硅的 Sili2 comp 产品。
这种方法的优点在于: 可以使熔融硅沿着纤 维快速浸润与传递, 大大缩短浸渍时间, 保证熔融 硅进入复合材料芯部, 制备更大尺寸的制品; 还可 以通过局部调整纤维含量和取向, 设计各向异性 的复合材料。
这种制备工艺的缺点在于: 纤维的分散困难, 难以制备结构均匀的坯体, 进而使烧结体密度和 整体性能偏低。 216 纤维增强 Si/ SiC 基复合材料
弹性模量 ( GPa) 140 ) ) 420 400 450
膨胀系数 ( @10- 6 e - 1)
4. 4 ) 4. 5 4. 4 ) 4. 5
洛氏硬度 (HRA) 85 90 90. 5 92 92. 5 )
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硅酸盐通报 2002 年第 1 期
综合评述
2. 3 RBSC 的后续热处理 采用补充热处理的方法可以减少 RBSC 中游
表 1 各种反应烧结技术产品比较
性能指标
密度 ( g/ cm3)
硅化石墨
21 70
渗硅碳化硅
21 90
RBSC* *
3. 05
传统 RBSC
3. 10
Hucke 工艺
3. 14
HIPSiC
3. 21
注: RBSC* * 为文献[5, 6] 所报道的工艺 1
室温抗折强度 ( MP a) 196 180 350 500 700 760
这些研究结果表明, 用合金取代硅浸渗坯体 能够减少烧结体中游离硅的含量, 提高材料的使 用温度。但是, 关于合金浸渗坯体实际的反应过 程尚不清楚, 目前的技术还无法使游离硅完全转 化为高温相。而且该工艺要求事先将硅用耐高温
金属饱和以保证熔体进入坯体, 这样增加了工艺
的复杂性。 215 Silicomp 及其类似材料的研究