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1、1 目录摘要1 关键字1 1碳化硅的合成与制备1 2SiC 陶瓷的主要应用领域3 3 结束语5 参考书目5 1 碳化硅陶瓷的制备与应用摘要:碳化硅陶瓷材料由于抗氧化性强、耐磨性能好、硬度高、热稳定性好、高温强度大、热膨胀系数小、热导率大以及抗热震和耐化学腐蚀等优良特性,广泛的应用于各个领域。本文通过对碳化硅陶瓷材料的的发展历程,特性及国内外研究状况提出了几种碳化硅陶瓷的烧结方法,并讨论其发展趋势。关键词:碳化硅;合成与制备;烧结;应用;1、碳化硅陶瓷的合成与制备SiC由于其共价键结合的特点,烧结时的扩散速率相当低,即使在的2100的高温,C 和Si的自扩散系数也仅为 1.5 10-10和2.5
2、 10-13cm2/s 所以,很难采取通常离子键结合材料所用的单纯化合物常压烧结途径来制取高致密化材料,必须采用一些特殊的工艺手段或依靠第二相物质促进其烧结。SiC很难烧结。其晶界能与表面能之比很高,不易获得足够的能量形成晶界而烧结成块体。SiC烧结时的扩散速率很低,其表面的氧化膜也起扩散势垒作用。因此,碳化硅需要借助添加剂或压力等才能获得致密材料。本制件采用Al-B-C 作为烧结助剂。硼(B)在SiC晶界的选择性偏析减小晶界能,提高烧结推动力,但过量的B会使 SiC晶粒异常长大。添加C(碳)可以还原碳化硅表面对烧结起阻碍作用的SiO2膜,并使表面自由能提高。但过多的碳,使制品失重,密度下降。
3、铝(Al)有抑制晶粒长大的作用,并有增强硼的烧结助剂作用,但过量的 Al却会使制件的高温强度下降。因此,必须通过试验合理确定 Al,B,C 的用量。目前制备 SiC陶瓷的主要方法有无压烧结、热压烧结、热等静压烧结、反应烧结等。1.1 碳化硅陶瓷的无压烧结无压烧结被认为是 SiC烧结最有前途的烧结方法,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。根据烧结机理的不同,无压烧结又可分为固相烧结和液相烧结。对含有微量SiO2的-SiC 可通过添加 B和C 进行常压烧结,这种方法可明显改善 SiC的烧结动力学。掺杂适量的 B,烧结过程中 B处于SiC晶界上,部分与 SiC形成固溶体,从而降低
4、了SiC的晶界能。掺杂适量的游离C对固相烧结有利,因为 SiC表面通常会被氧化有少量SiO2生成,加入的适量 C有助于使 SiC表面上的 SiO2膜还原除去,从而增加了表面能。然而#对液相烧结会产生不利影响,因为C会与氧化物添加剂反应生成气体,在陶瓷烧结体内形成大量的开孔,影响致密化进程。SiC的烧结工艺中,原料的纯度、细度、相组成十分重要。S.Proehazka通过在超细-SiC 粉体(含氧量小于 2%)中同时加入适量 B和C 的方法,在2020下常压烧结成密度高于 98%的SiC烧结体。但 SiC-B-C系统属于固相烧结的范畴,需要的烧结温度较高,并且断裂韧性较低,断裂模式为典型的穿晶断裂
5、,晶粒粗大且均匀性差。国外对 SiC的研究焦点主要集中于液相烧结上,即以一定数量的2 烧结助剂,在较低的温度下实现 SiC致密化。SiC的液相烧结相对于固相烧结,不仅烧结温度有所降低,微观结构也改善了,因而烧结体的性能也较固相烧结体有所提高。通过对 SiC陶瓷显微结构的研究发现,断裂韧性好的 SiC陶瓷晶粒粗大并且呈棒状结构。棒状晶粒在提高断裂韧性的同时,降低了SiC陶瓷的强度。为了在降低烧结温度的同时获得较好的强度和韧性,许多人通过不同的添加剂以调整玻璃相的组分,试图改善陶瓷的烧结性能。烧结过程中,由于晶界液相的引入和独特的界面结构导致了界面结构弱化,材料的断裂也变为完全的沿晶断裂模式,结果
6、使材料的强度和韧性显著提高。但考虑到采用 Al2O3添加剂,生成低熔点、高挥发性的玻璃相,在较高的温度时将发生强烈挥发,引起材料的失重,对材料的致密化产生不利的影响,所以要适当提高添加剂中Al2O3的质量分数。1.2 碳化硅陶瓷的热压烧结SiC的共价键很强,致使烧结时的体积和晶界扩散速率相当低;SiC晶粒表面的SiO2薄膜,同时也起到了扩散势垒的作用。因此不使用添加剂或高压力,将SiC烧结到高的密度是相当困难的。Nadeau 指出,不添加任何烧结助剂,纯SiC只有在极高的温度下才能烧结致密,于是不少人对SiC实行热压烧结工艺。关于添加烧结助剂对 SiC进行热压烧结的报道已有许多。Alliegr
7、o等研究了 B、Al、Ni、Fe、Cr等金属添加物对 SiC致密化的影响,发现Al和Fe是促进 SiC热压烧结最有效的添加剂。F.F.Lange 研究了添加不同量 Al2O3对热压烧结 SiC的性能影响,认为热压烧结致密是靠溶解-再沉淀机理。为了进一步降低烧结温度,降低生产成本,世界各国投入大量的人力、物力、财力进行了深入的研究。热压烧结虽然能降低烧结温度,并且具有较高的烧结密度和抗弯强度。但是热压烧结工艺只能制备形状简单的SiC部件,而且一次热压烧结过程中所制备的产品数量很小,因此不利于工业化生产。1.3 碳化硅陶瓷的热等静压烧结传统的烧结工艺(无压烧结或热压烧结),如果不加入适当的添加剂,
8、纯SiC很难烧结致密。为了获得致密的 SiC烧结体,必须采用亚微米级 SiC细粉,并加入少量合适的烧结添加剂。但是添加剂的引入,SiC陶瓷的许多性能必定受到影响。为了克服传统烧结工艺存在的缺陷,Duna 以B和C为添加剂,采用热等静压烧结工艺,在 1900便获得了密度大于98%、室温抗弯强度高达600MPa 左右的细晶 SiC陶瓷。尽管热等静压烧结可获得形状复杂的致密SiC制品,并且制品具有较好的力学性能,但是 HIP烧结必须对素坯进行包封,所以很难实现工业化生产。1.4 碳化硅陶瓷的其他烧结方法要进行 SiC陶瓷的低温烧结,还可采用反应烧结。反应烧结SiC又称自结合SiC,反应烧结虽可制得形
9、状复杂的致密SiC陶瓷,并且具有良好的抗热震性,但3 烧结体中相当数量 SiC的存在,使得反应烧结的 SiC陶瓷高温性能较差。所谓反应烧结,是通过多孔坯件同气相或液相发生化学反应,使坯件质量增加,孔隙减小,并烧结成具有一定强度和尺寸精度的成品的工艺。同其它烧结工艺比较,反应烧结在致密过程中的尺寸变化小,可以制造尺寸精确的制品。对于反应烧结的SiC特别适合于塑性成形方法成型(如冷静压和模压等)。其塑化剂可用热固性树脂如酚醛树脂。不必像其他陶瓷的生产那样在成形后除去塑化剂。因为塑化剂是提供与硅反应的碳源的载体。八十年代国外又通过微波烧结技术成功地在较低的温度下烧结了 SiC陶瓷,但微波烧结的机理还
10、很不清楚,所以关于这一方面的报道仍很少。2、SiC 陶瓷的主要应用领域2.1 磨料由于其超硬性能,可制备成各种磨削用的砂轮、砂布、砂纸以及各类磨料,广泛应用于机械加工行业。我国工业碳化硅主要作磨料用,黑色碳化硅制成的磨具,多用于切割和研磨抗张强度低的材料,如玻璃、陶瓷、石料和耐火物等,同时也用于铸铁零件和有色金属材料的磨削。绿色碳化硅制成的磨具,多用于硬质合金、钛合金、光学玻璃的磨削,同时也用于缸的珩磨及高速钢刀具的精磨。立方碳化硅专用于微型轴承的超精磨,采用W3.5立方碳化硅微粉制成的油石对轴承(材料ZGCrl5)超精磨,其光洁度可由 9直接磨到 12以上。因此,在相同粒度的其他磨料中,立方
11、碳化硅的加工效率最高。2.2 耐火材料国外将碳化硅用作耐火材料的数量大于用作磨料。我国亦在不断扩大这方面的应用,根据国外厂商的习惯,耐火材料黑色碳化硅通常分为3种牌号:高级耐火材料黑碳化硅。这种牌号的化学成分要求与磨料用黑色碳化硅完全相同,主要用以制造高级碳化硅制品,如重结晶碳化硅制品、燃气轮机构件、喷嘴、氮化硅结合碳化硅制件、高炉高温区衬材、高温窑炉构件、高温窑装窑支承件、耐火匣钵等。二级耐火材料黑色碳化硅,含碳化硅大于90%。主要用于制造耐中等高温的窑炉构件,如马弗炉炉衬材料等。这些构件除利用碳化硅的耐热性、导热性外,在很多场合还兼用它的化学稳定性。低品位耐火材料黑色碳化硅,其碳化硅含量要
12、求大于83%,主要用于出铁槽、铁水包,炼锌业和海绵铁制造业等的内衬。2.3 脱氧剂炼钢时通常要使用硅铁脱氧,近代发展了用碳化硅代替硅铁作脱氧剂,炼出的钢质量更好、更经济。因为用碳化硅脱氧时,成渣少而且很快,有效地减少了渣中某些有用元素的含量,炼钢时间短而成分更好控制,脱氧剂黑色碳化硅在美4 国和日本等国家的钢铁工业中用得很普遍。磨料用或耐火材料用碳化硅在炉中所生成的适合于作脱氧剂的物料,都能全部销售应用于生产而无须回炉,产品综合利用率高,生产的经济效果极佳。2.4 军事方面用碳化硅陶瓷与其他材料一起组成的燃烧室及喷嘴,已应用于火箭技术中。碳化硅基复合材料制备的阿丽亚娜火箭尾喷管已成功应用。碳化
13、硅密度居中,比Al2O3轻20%,硬度和弹性模量较高,价格比B4C 低得多,还可用于装甲车辆和飞机机腹及防弹防刺衣等。碳化硅材料还具有自润滑性及摩擦系数小,约为硬质合金的一半。它的抗热震性好、弹性模量高等特点在一些特殊地方获应用,如用来制成高功率的激光反射镜其性能优于铜质,由于密度低、刚性好、变形小。CVD与反应烧结的碳化硅轻量化反射镜已经在空间技术中大量使用。2.5 电气和电工利用碳化硅陶瓷的高热导性能,绝缘性好作为大规模集成电路的基片和封装材料。碳化硅发热体是一种常用的加热元件,由于它具有操作简单方便,使用寿命长,使用范围广等优点,成为发热材料中最经久耐用且价廉物美的一种,使用温度可达 1
14、600。此外,碳化硅还可用做避雷器的阀体和远红外线发生器等11。2.6 耐磨及高温件利用碳化硅陶瓷的高硬度、耐磨损、耐酸碱腐蚀等性能,在机械工业、化学工业中被用来制备新一代的机械密封材料,如滑动轴承、耐腐蚀的管道、阀片和风机叶片。尤其是作为机械密封材料已被国际上确认为自金属、氧化铝、硬质合金以来第四代基本材料,它的抗酸、抗碱性能与其它材料相比是极为优秀的,几乎没有一种材料可与之相比。利用碳化硅陶瓷的高热导性能,可用于冶金工业窑炉中的高温热交换器等,使用温度可达 1300;用电镀方法将碳化硅微粉涂敷于水轮机叶轮上,可以大大提高叶轮的耐磨性能,延长其检修周期。用机械压力将立方碳化硅磨粉与 W28
15、微粉压入内燃机的汽缸壁上,可延长缸体使用寿命达 1倍以上。使用碳化硅与硼砂的混合物对45#钢收割机刀片进行表面渗硼化学热处理,可使其渗硼层的硬度达到克氏显微硬度18002000kg/mm2,使其使用寿命延长数倍。用碳化硅制成的托辊,早已成功地应用于轧钢机上,它比金属托辊有更好的耐热性与耐磨性,并能改善所轧钢材的质量。用碳化硅材料制成的砂泵及水力旋流器,具有很好的耐磨性能;用碳化硅材料制成的缸套等耐磨件可广泛用于石油和化工等行业。碳化硅还可作为高温热机械用材料,被首选为热机械的耐高温部件。诸如:作高温燃汽轮机的燃烧室、涡轮的静叶片、高温喷嘴等。用碳化硅制成活塞与气缸套用于无润滑油无冷却的柴油机上
16、,可减少摩擦30%50%,使噪声明显降低。SiC陶瓷由于具有良好的物理与化学性能,在各工业部门内应用已倍受关注,5 尤其是在热机工程及机械密封行业中所显示的良好性能和应用潜力已逐步为人们所认识。机械密封行业所需的结构陶瓷,要求材料具有高强度、高韧性、低蠕变性、耐磨擦磨损、耐腐蚀性以及良好的抗氧化性,而SiC陶瓷恰恰具备上述特点,所以成为了用作密封件的极好材料。目前,工业生产所用的机械密封材料中有近一半采用碳化硅。3、结束语SiC陶瓷在石油、化工、汽车、机械和宇航等领域中的应用范围越来越广泛,迫切需要在提高 SiC陶瓷性能的同时,不断改进制造技术,降低生产成本。实现SiC陶瓷的低温烧结,可显著降
17、低能耗,明显降低生产成本,推动SiC陶瓷产品的产业化。与其它结构陶瓷相比,碳化硅原料来源丰富、制备工艺方法多,可以适应各种不同使用工况的要求,是除了氧化铝以外最可能形成产业化规模的工程结构陶瓷.世界各主要陶瓷生产厂家都十分重视碳化硅材料的研究与应用开发。我国是碳化硅原料生产大国,又具有十分广泛的工业与高技术需求,此外由于碳化硅产品的需求领域覆盖高、中、低档材料,有利于产业化规模的形成.因此作为推动结构陶瓷产业化的重要突破口,我们应积极做好碳化硅材料的研制、开发与推广工作,以尽快形成我国自己的碳化硅产业。参考书目:1 李世普.特种陶瓷工艺学 M.武汉理工大学出版社,1997.2 金志浩.工程陶瓷材料 M.机械工业出版社,2000.3 刘水刚 高伟.化工新型材料无机材料学报 2004 第 3 期4 孙莹;谭寿洪;江东亮 .多孔碳化硅材料的制备及其催化性能.无机材料学报2003(04)5 碳化硅制备方法含量检测及应用指导手册.北京:中国科技出版社,2006 6 秦成娟,王新生.碳化硅陶瓷的研究进展 J.山东陶瓷,2006.4 7 芳玲;罗丰华.碳化硅陶瓷的制备.陶瓷科学与艺术 J.2006第 6 期
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