新型碳化硅陶瓷材料的制备与应用研究
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２ ． 碳 化硅 ２ ． １碳 化 硅 的 特 殊 结 构 对 碳 化 硅 结 晶 结 构 的 研 究 ， 揭 示 出 它有许多不同结晶类型＿ ５ Ｊ ，其共有７ ５ 种 变 体 ， 如３ ｃ — ｓ ｉ ｃ 、４ Ｈ — Ｓ ｉ Ｃ 、ｌ ５ Ｒ — Ｓ ｉ Ｃ 等 ， 其 中 Ⅱ～ Ｓ ｉ Ｃ 、 Ｂ— Ｓ ｉ Ｃ 最 为常 见 。 — Ｓ ｉ Ｃ 的 晶 体 结
学术 交流
新 型 碳 化 硅 陶 瓷 材 料 的 制 备 与 应 用 研 究
思 芳 西安工程大学机电工程学院
【 摘 要 】碳化硅陶瓷由于具有优 良的高温强度、耐磨性、耐腐蚀性以及抗热震性而得到越来越多的关注，一种优质 陶瓷材料，在航空航天、电力电子、机械工 业、石油化工等许 多领域得到广泛应用。本文筒要介绍了碳化硅陶瓷材料的的特性及几种碳化硅陶瓷合成的新方法 ，并对其发展趋势进行 了讨论 与展望。 【 关键词】碳化硅 ；性能；应用 ；合成方法；烧结
巍 鸭 ｔ ｌ ｔ 镰 鹞 wenku.baidu.com， 尊 ： 瓤 ｌ
图１ １ 几 种 常 见 的 Ｓ ｉ ｃ 原 子 堆 垛 示 意 图
Ｆｉ ｇ １ １ Ｄｉ ａ ｇ ｒ ａ ｍ ｍａ ￣ｉ ｃ ｓ ｋ ｅ ｔ ｃ ｈ ｏ ｆ Ｃ Ｏ ￣ Ｏ Ｒ Ｓｉ Ｃ ａ １ ： ｏ ｍａ ｆ ａ ｕＩ ｔ
１ 引 言 碳 化 硅 是 一 种 人 造 材 料 ， 只 是 在 人 工
合 成 碳 化 硅 之 后 ， 才 证 实 陨 石 中 及 地 壳 上 偶 然存 在 碳化 硅 Ⅲ。Ｓ ｉ ｃ 是 以 共 价 键 为 主 的 共 价化 合 物 ， 由于碳 和 硅两 元 素在 形 成ｓ ｉ ｃ 晶体 时 ，它 的基 本单 元 是 四面 体 ，所 有Ｓ ｉ Ｃ 均 由Ｓ ｉ Ｃ 四 面 体 堆 积 而 成 ， 所 不 同 的 只 是 平 行 结 合 和 反 平 行 结 合 ， 从 而 形 成 具 有 金 刚
石 结 构的 Ｓ ｉ Ｃ 。 由于 碳化 硅 原 料 共 价键 占 ８ ０ ％ 左右 ，
臻
械
因此 很 难 在 常 压 下 烧 结 致 密 ，为 了使 碳 化 硅 陶 瓷烧 结 ，常 采 用 反 应 烧 结 、 热压 烧 结 等方 法 烧 结 制 品 ，但 是 制 品 的 性 能 也 不尽 理 想 。近 年 随 着 碳 化 硅 制 品 烧 结 理论 的发 展 ， 微粉 性 能 的提 高 ，烧 结 助 剂 的 多样 化 和 深 入研 究 ，采 用 无 压 烧 结 工 艺 烧 结 高性 能 碳 化 硅 制 品 的 工 艺 开 始 发 展 并 不 断 完 善 。 碳 化 硅制 品无 压 烧 结 法 ，工 艺 简 单 、 成 本 低 廉 ， 烧 结 后 的 制 品 性 能 优 良 ， 从 而 成为 一种 很 有 发展 前途 的烧 结 方法 ＿ ２ ］ 。
（ Ａ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ Ｏ ｘ ｉ ｄ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ） 。 碳 化 硅 氧 化 即 在 其
构 为 立方 晶 系 ，Ｓ ｉ 和Ｃ 分 别 组 成 面 心 立 方 晶 格 ； Ｑ— Ｓ ｉ Ｃ 存 在着 ４ Ｈ 、１ ５ Ｒ ￣ ｌ ｆ ６ Ｈ 等１ ０ ０ 余 种 多 型 体 ，其 中 ， ６ Ｈ 多型体 为工 业应用 上最 为普 遍 的 一 种 。在 Ｓ ｉ Ｃ 的 多种 型体 之 间存 在 着一 定 的热稳 定性 关 系，在 温度 低于 １ ６ ０ ０ ℃时 ， Ｓ ｉ Ｃ 以 — Ｓ ｉ Ｃ 形 式 存在 。当高 于 ｌ ６ ０ ０ ℃时 ， Ｂ— Ｓ １ Ｃ 缓慢 转 变 成 Ｃ ｔ — Ｓ ｉ Ｃ的 各 种 多 型 体 。 ４ Ｈ — Ｓ ｉ Ｃ 在２ ０ ０ ０ ℃左 右 容 易生成 ；１ ５ Ｒ ￣６ Ｈ 多 型 体均 需在２ １ ０ ０ ℃ 以上的 高温才 易生成 ；对 于６ Ｈ — Ｓ ｉ Ｃ， 即 使 温 度 超 过 ２ ２ ０ ０ ℃ ， 也 是非 常 稳 定 的 。Ｓ ｉ Ｃ中 各 种 多 型 体 之 间 的 自 由 能 相 差 很 小 ， 因 此 ， 微 量 杂 质 的 固 溶 也 会 引 起 多 型体 之 间 的热 稳定 关 系变 化 。 图 １ ． １ 为 几 种 常见 的Ｓ ｉ Ｃ 原 子堆 垛 示意 图 。 ２ ． ２ 碳 化 硅 的 性 质 Ｓｉ Ｃ 的 化 学 稳 定 性 与其 氧 化 特 性 有 密 切 关 系 。Ｓ ｉ Ｃ 本 身 很容 易氧化 ，但它 氧 化之 后 形 成 了 一 层 Ｓｉ Ｏ 薄膜 ，氧 化进 程 逐 步被 阻碍 。在 空 气 中 ，Ｓ ｉ Ｃ 于８ ０ ０ ℃ 时 就 开 始氧 化 ，但 很缓 慢 ；随 着 温 度 升 高 ， 则 氧 化速 度 急速 加 快 。氧 化 时 ，若 同时 存 在 着 能将 Ｓ ｉ Ｏ 薄膜 移 去 或使 之 破 裂 的物 质 ， 则Ｓ ｉ ｃ 就
Ｓ ｉ Ｃ 的硬 度 相 当高 ，仅 次 于 几种 超硬 材 氧 化 在 高 温 、低 氧 分 压情 况 下 ，生 成 气 相 料 ， 高 于 刚 玉 而 名 列 普 通 磨 料 的 前 茅 ， 莫 Ｓ ｉ Ｏ 而 不 具有 保 护功 能 ，质 量 快速 减 小 ，反 氏刻 痕硬 度 为９ ． ２ ， 克 氏显微 硬 度为 ２ ２ ０ ０ ～ 应 速 度 越 来 越 快 ， 这 种 氧 化 称 为 活 性 氧 化 ２ ８ ０ ０ ｋ ｇ ／ ｍ ｍ 。 （ 负荷 ｌ Ｏ Ｏ ｇ ） 。 研 究 表 明 ： 在 一 个
相 比要 小得 多 。Ｓ ｉ Ｃ 所 具 有 的低 热膨 胀 系数 和 高 导热 系 数 ，使 其 制 品 在 加 热 及 冷 却过 程 中受 到 的热 应力 较 小 ，这 就是 Ｓ ｉ Ｃ 陶 瓷抗 热震 性特 别好 的原 因 。
即 Ｓｉ Ｏ 和Ｓ ｉ ０， 一 般 条 件 下 生 成 具 有 保 护 功 能 的Ｓ ｉ Ｏ ｏ 膜 ， 随 反 应 的 进 行 ， 重 量 不 断 增 加 ，但 反 应 速 度越 来越 慢 ，这 种 氧 化 称 为 钝 性氧 化 （ Ｐ ａ ｓ Ｓ ｉ ｖ ｅ Ｏ ｘ ｉ ｄ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ）； Ｓ ｉ Ｃ 的
学术 交流
新 型 碳 化 硅 陶 瓷 材 料 的 制 备 与 应 用 研 究
思 芳 西安工程大学机电工程学院
【 摘 要 】碳化硅陶瓷由于具有优 良的高温强度、耐磨性、耐腐蚀性以及抗热震性而得到越来越多的关注，一种优质 陶瓷材料，在航空航天、电力电子、机械工 业、石油化工等许 多领域得到广泛应用。本文筒要介绍了碳化硅陶瓷材料的的特性及几种碳化硅陶瓷合成的新方法 ，并对其发展趋势进行 了讨论 与展望。 【 关键词】碳化硅 ；性能；应用 ；合成方法；烧结
巍 鸭 ｔ ｌ ｔ 镰 鹞 wenku.baidu.com， 尊 ： 瓤 ｌ
图１ １ 几 种 常 见 的 Ｓ ｉ ｃ 原 子 堆 垛 示 意 图
Ｆｉ ｇ １ １ Ｄｉ ａ ｇ ｒ ａ ｍ ｍａ ￣ｉ ｃ ｓ ｋ ｅ ｔ ｃ ｈ ｏ ｆ Ｃ Ｏ ￣ Ｏ Ｒ Ｓｉ Ｃ ａ １ ： ｏ ｍａ ｆ ａ ｕＩ ｔ
１ 引 言 碳 化 硅 是 一 种 人 造 材 料 ， 只 是 在 人 工
合 成 碳 化 硅 之 后 ， 才 证 实 陨 石 中 及 地 壳 上 偶 然存 在 碳化 硅 Ⅲ。Ｓ ｉ ｃ 是 以 共 价 键 为 主 的 共 价化 合 物 ， 由于碳 和 硅两 元 素在 形 成ｓ ｉ ｃ 晶体 时 ，它 的基 本单 元 是 四面 体 ，所 有Ｓ ｉ Ｃ 均 由Ｓ ｉ Ｃ 四 面 体 堆 积 而 成 ， 所 不 同 的 只 是 平 行 结 合 和 反 平 行 结 合 ， 从 而 形 成 具 有 金 刚
石 结 构的 Ｓ ｉ Ｃ 。 由于 碳化 硅 原 料 共 价键 占 ８ ０ ％ 左右 ，
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因此 很 难 在 常 压 下 烧 结 致 密 ，为 了使 碳 化 硅 陶 瓷烧 结 ，常 采 用 反 应 烧 结 、 热压 烧 结 等方 法 烧 结 制 品 ，但 是 制 品 的 性 能 也 不尽 理 想 。近 年 随 着 碳 化 硅 制 品 烧 结 理论 的发 展 ， 微粉 性 能 的提 高 ，烧 结 助 剂 的 多样 化 和 深 入研 究 ，采 用 无 压 烧 结 工 艺 烧 结 高性 能 碳 化 硅 制 品 的 工 艺 开 始 发 展 并 不 断 完 善 。 碳 化 硅制 品无 压 烧 结 法 ，工 艺 简 单 、 成 本 低 廉 ， 烧 结 后 的 制 品 性 能 优 良 ， 从 而 成为 一种 很 有 发展 前途 的烧 结 方法 ＿ ２ ］ 。
（ Ａ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ Ｏ ｘ ｉ ｄ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ） 。 碳 化 硅 氧 化 即 在 其
构 为 立方 晶 系 ，Ｓ ｉ 和Ｃ 分 别 组 成 面 心 立 方 晶 格 ； Ｑ— Ｓ ｉ Ｃ 存 在着 ４ Ｈ 、１ ５ Ｒ ￣ ｌ ｆ ６ Ｈ 等１ ０ ０ 余 种 多 型 体 ，其 中 ， ６ Ｈ 多型体 为工 业应用 上最 为普 遍 的 一 种 。在 Ｓ ｉ Ｃ 的 多种 型体 之 间存 在 着一 定 的热稳 定性 关 系，在 温度 低于 １ ６ ０ ０ ℃时 ， Ｓ ｉ Ｃ 以 — Ｓ ｉ Ｃ 形 式 存在 。当高 于 ｌ ６ ０ ０ ℃时 ， Ｂ— Ｓ １ Ｃ 缓慢 转 变 成 Ｃ ｔ — Ｓ ｉ Ｃ的 各 种 多 型 体 。 ４ Ｈ — Ｓ ｉ Ｃ 在２ ０ ０ ０ ℃左 右 容 易生成 ；１ ５ Ｒ ￣６ Ｈ 多 型 体均 需在２ １ ０ ０ ℃ 以上的 高温才 易生成 ；对 于６ Ｈ — Ｓ ｉ Ｃ， 即 使 温 度 超 过 ２ ２ ０ ０ ℃ ， 也 是非 常 稳 定 的 。Ｓ ｉ Ｃ中 各 种 多 型 体 之 间 的 自 由 能 相 差 很 小 ， 因 此 ， 微 量 杂 质 的 固 溶 也 会 引 起 多 型体 之 间 的热 稳定 关 系变 化 。 图 １ ． １ 为 几 种 常见 的Ｓ ｉ Ｃ 原 子堆 垛 示意 图 。 ２ ． ２ 碳 化 硅 的 性 质 Ｓｉ Ｃ 的 化 学 稳 定 性 与其 氧 化 特 性 有 密 切 关 系 。Ｓ ｉ Ｃ 本 身 很容 易氧化 ，但它 氧 化之 后 形 成 了 一 层 Ｓｉ Ｏ 薄膜 ，氧 化进 程 逐 步被 阻碍 。在 空 气 中 ，Ｓ ｉ Ｃ 于８ ０ ０ ℃ 时 就 开 始氧 化 ，但 很缓 慢 ；随 着 温 度 升 高 ， 则 氧 化速 度 急速 加 快 。氧 化 时 ，若 同时 存 在 着 能将 Ｓ ｉ Ｏ 薄膜 移 去 或使 之 破 裂 的物 质 ， 则Ｓ ｉ ｃ 就
Ｓ ｉ Ｃ 的硬 度 相 当高 ，仅 次 于 几种 超硬 材 氧 化 在 高 温 、低 氧 分 压情 况 下 ，生 成 气 相 料 ， 高 于 刚 玉 而 名 列 普 通 磨 料 的 前 茅 ， 莫 Ｓ ｉ Ｏ 而 不 具有 保 护功 能 ，质 量 快速 减 小 ，反 氏刻 痕硬 度 为９ ． ２ ， 克 氏显微 硬 度为 ２ ２ ０ ０ ～ 应 速 度 越 来 越 快 ， 这 种 氧 化 称 为 活 性 氧 化 ２ ８ ０ ０ ｋ ｇ ／ ｍ ｍ 。 （ 负荷 ｌ Ｏ Ｏ ｇ ） 。 研 究 表 明 ： 在 一 个
相 比要 小得 多 。Ｓ ｉ Ｃ 所 具 有 的低 热膨 胀 系数 和 高 导热 系 数 ，使 其 制 品 在 加 热 及 冷 却过 程 中受 到 的热 应力 较 小 ，这 就是 Ｓ ｉ Ｃ 陶 瓷抗 热震 性特 别好 的原 因 。
即 Ｓｉ Ｏ 和Ｓ ｉ ０， 一 般 条 件 下 生 成 具 有 保 护 功 能 的Ｓ ｉ Ｏ ｏ 膜 ， 随 反 应 的 进 行 ， 重 量 不 断 增 加 ，但 反 应 速 度越 来越 慢 ，这 种 氧 化 称 为 钝 性氧 化 （ Ｐ ａ ｓ Ｓ ｉ ｖ ｅ Ｏ ｘ ｉ ｄ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ）； Ｓ ｉ Ｃ 的