碳化硅陶瓷介绍

2021/10/11 分类:特陶百科碳化硅结构陶瓷耐磨损耐高温高强度高硬度 1335 0

概要：SiC陶瓷不仅具有优良的常温力学性能，如高的抗弯强度、优良的抗氧化性、良好的耐腐蚀性、高的抗磨损以及低的摩擦系数，而且高温力学性能(强度、抗蠕变性等)是已知陶瓷材料中最佳的。抗氧化性也是所有非氧化物陶瓷中最好的。工作温度可达1600 ~ 1700摄氏度。

知识点名称：碳化硅陶瓷

关键词：金刚砂,碳化硅,SiC,窑具,研磨

相关概念和介绍：

SiC陶瓷不仅具有优良的常温力学性能，如高的抗弯强度、优良的抗氧化性、良好的耐腐蚀性、高的抗磨损以及低的摩擦系数，而且高温力学性能(强度、抗蠕变性等)是已知陶瓷材料中最佳的。热压烧结、无压烧结、热等静压烧结的材料，其高温强度可一直维持到1600℃，是陶瓷材料中高温强度最好的材料。抗氧化性也是所有非氧化物陶瓷中最好的。别名金刚砂。

碳化硅主要有两种晶体结构，即立方晶系的β- SiC和六方晶系的α- SiC。碳化硅晶体的基本结构单元是相互穿插的SiC和CSi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。由于四面体堆积次序的不同可以形成不同的结构，已发现数百种变体。一般采用字母C(立方)、H(六方)、R(菱方)米表示其晶格类型，并用单位晶胞中所含的层数以示区别，例如nH表示沿c轴有n层重复周期的六方晶系结构，而mR则表示沿c轴有m层重复周期的菱面体结构。

碳化硅(SiC) 是共价键很强的化合物，其Si–C键的离子型仅12%左右，因此，它也具有优良的力学性能、优良的抗氧化性、高的抗磨损性以及低的摩擦系数等。碳化硅的最大特点是高温强度高，普通陶瓷材料在1200 ~ 1400摄氏度时强度将显著降低，而碳化硅在1400摄氏度时抗弯强度仍保持在500 ~600MPa的较高水平，因此其工作温度可达1600 ~ 1700摄氏度。再加上碳化硅陶瓷的热传导能力也较高，在陶瓷中仅次于氧化铍陶瓷，因此碳化硅已经广泛应用于高温轴承、防弹板、喷嘴、高温耐蚀部件以及高温和高频范围的电子设备零部件等领域。

SiC质制品因制备方式、应用领域及形态等而多种多样。SiC陶瓷作为其中的一种，是陶瓷领域的一种高性能材料，尤其偏向于高强度、高硬度以及耐高温性能等，按其烧结方式可分为：反应烧结碳化硅(RBSiC)、无压固相烧结碳化硅(SSiC)、液相烧结碳化硅(LSiC)、热压烧结碳化硅(HPSiC)和再结晶碳化硅(RSiC)等。

RBSiC和RSiC是最早出现的，但代表着SiC制品的最低和最高制备温度的极限。前者具有较高的致密度，但存在较高的残留硅，导致高温性能不佳后者因存在较高的孔隙率而强度较低，而因其较高的纯度以及没有晶界杂质相而具有较高的高温强度，常用于高温结构材料。

反应烧结碳化硅陶瓷是一种工艺品，由细颗粒α-SiC和添加剂压制成素坯，在高温下与液态硅接触，坯体中的碳与渗入的Si反应，生成β-SiC，并与α-SiC相结合，游离硅填充了气孔，从而得到高致密性的陶瓷材料。其可以在中等浓度的酸或碱介质中使用。塑性剂燃烧或热解为多孔的炭,液态或气态的硅与无定型碳或石墨反应生成SiC。反应生成的SiC多晶与SiC粉连成一体,过量的硅[~10%(vol)]填充了微孔得到无气孔的制品。25度弯曲强度可达400-600MPa,熔点(1410度)强度250MPa,弹性模量约为115MPa 。

重结晶碳化硅也称作再结晶碳化硅，它以高纯超细碳化硅为原料，碳化硅在2400℃高温及一定压力的气氛保护下，发生蒸发 – 凝聚再结晶作用，在颗粒接触处发生颗粒共生形成的烧结体。其基本不收缩，但具有一定数量孔隙。

应用:

碳化硅陶瓷是从20世纪60年代开始发展起来的，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，尤其是发达国家。近几年以碳化硅陶瓷为基的复相陶瓷相继出现，改善了单体材料的韧性和强度。碳化硅主要的四大应用领域，即功能陶瓷、高级耐火材料、磨料及冶金原料。

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，因而广泛应用于机械加工行业。第二次世界大战中又发现它还可以作为炼钢时的还原剂以及加热元件，从而促进了SiC的快速发展。SiC陶瓷在石油、化工、微电子、汽车、航天、航空、造纸、激光、矿业及原子能等工业领域获得了广泛的应用，碳化硅已经广泛应用于高温轴承、防弹板、喷嘴、高温耐蚀部件以及高温和高频范围的电子设备零部件等领域。

有色金属冶炼领域：利用碳化硅具有耐高温,强度大,导热性能良好,抗冲击,作高温间接加热材料,如坚罐蒸馏炉，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。

钢铁行业：利用碳化硅的耐腐蚀，抗热冲击耐磨损，导热好的特点，用于大型高炉内衬提高了使用寿命。

冶金选矿行业：碳化硅硬度仅次于金刚石,具有较强的耐磨性能,是耐磨管道、叶轮、泵室、旋流器,矿斗内衬的理想材料,其耐磨性能是铸铁.橡胶使用寿命的 5—20 倍。

节能材料：利用良好的导热和热稳定性，碳化硅用作热交换器的制造中，可以减少燃耗20%，节约燃料35%。碳化硅新材料还广泛应用于航空航天中。我国首台火星车或将用铝基碳化硅等多种材料制造。

半导体光伏产业：由于碳化硅材料具有宽能级、高击穿电场、高热传导率以及高饱和电子迁移速度等独特、优良的物理和电子特性，使其成为半导体领域的最佳材料。如：蓝色发光二极管、紫外线探测器、高压二级管、大功率微波器、以及各种耐高温的高频器件等。

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