碳化硅陶瓷的发展与应用.docx

碳化硅陶瓷的发展与应用1073112 王苗摘要：碳化硅陶瓷以其优异的抗热震、耐高温、抗氧化和耐化学腐蚀等特性而广泛地应用于 石油、化学、汽车、机械和宇航等工业领域中，并日益引起人们的重视本文对各种 SiC 陶瓷的制备方法、性能特点及其应用现状进行了综合评述关键词： 碳化硅 陶瓷 发展与应用Abstract: Silicon carbide ceramics have been widely used in petroleum, chemical, automotive ， mechanical and aerospace industries because of their excellent resistance to thermal shock, high temperatures, oxidation and chemical corrosion. In this paper, the fabricating methods, mechanical properties and current applications of various SiC ceramics are revicwed.Key Words: SiC Ceramics Development and Application1前言现代国防、核能和空间技术以及汽车工业、海洋工程的迅速发展,对火箭燃烧室内衬、 飞机涡轮发动机叶片、核反应堆结构部件、高速气动轴承和机械密封零件等材料的要求愈来 愈高,迫切需要开发各种新型高性能结构材料。

碳化硅陶瓷具有高温强度大、抗氧化性强、 耐磨损性好、热稳定性佳、热膨胀系数小、热导率大、硬度高以及抗热震和耐化学腐蚀等优 良特性，因此，已经在许多领域大显身手，并日益受到人们的重视例如，SiC陶瓷在石油 化学工业中已被广泛地用作各种耐腐蚀用容器及管道在机械工业中已被成功地用作各种轴 承、切削刀具和机械密封部件在宇航和汽车工业中也被认为是未来制造燃气轮机、火箭喷嘴 和发动机部件的最有希望的候选材料本文首先对SiC的基本性质及SiC粉末的合成方法进行了简单介绍，接着重点综述了 SiC陶瓷的性能特点，最后对SiC陶瓷的应用现状与未来发展进行了概括和分析2 碳化硅的基本特性2.1、 化学属性抗化合性：碳化硅材料在氧气中反应温度达到1300°C时，在其碳化硅晶体表层已经生 成二氧化硅保护层随着保护层的加厚，抵制了里面碳化硅继续被化合，这使碳化硅有较好 的抗化合性当气温达到1900K(1627C)以上时，二氧化硅保护膜已经被破坏，碳化硅化合 效应加重，从而1900K是碳化硅在氧化剂氛围下的最高工作气温耐酸碱性：在耐酸、碱及化合物的效用方面，因为二氧化硅保护膜的效用，碳化硅的抗 酸能力非常非常强，抗碱性稍差。

2.2、 物理性能密度：各样碳化硅晶形的颗粒密度十分相近，通常情况下，应该是3.20 g/ mn3，其碳 化硅磨料的堆砌密度在1.2—1.6 g/ mn'之间，其高矮取决于其粒度号、粒度合成和颗粒形 状的大小硬度：碳化硅的硬度为：莫氏9.5级单晶硅的硬度为：莫氏7级多晶硅的硬度为： 莫氏7级都是硬度相对较高的物料努普硬度为2670—2815公斤/毫米，在磨料中高于刚 玉而仅次于金刚石、立方氮化硼和碳化硼导热率：碳化硅制品的导热率非常高，热膨胀参数小，抗热震性非常高，是优质的耐火 材料2.3、 电学属性恒温下工业碳化硅是一种半导体，属杂质导电性高纯度碳化硅随着气温的升高内阻率 降低，含杂质碳化硅按照其含杂质不一样，导电性能也不一样2.4、其它属性亲水性好众所周知，SiC是共价键很强的化合物按照Pauling对电负性的计算，SiC中Si 一 C 键的离子性仅12%左右因此,SiC的硬度高、弹性模量大，具有优良的耐磨损性能值得 指出的是，SiC氧化时，表面形成的二氧化硅层会抑制氧的进一步扩散，因而，其氧化速率 并不高在电性能方面，SiC具有半导体特性，少量杂质的引入会使其表现出良好的导电性: 此外,SiC还具有优良的导热性。

3碳化硅粉末的合成方法SiC是在陨石中发现的，在地球上几乎不存在，因此，工业上应用的SiC粉末都是人工 合成的目前，合成SiC粉末的方法主要有【1】Acheson法、直接化合法、热分解法和气 相反应法等3.1Acheson 法Acheson法是工业采用最多的合成方法a-SiC粉末的方法，即用电加热的方法将石英 砂和焦炭的混合物加热到2500°C左右的高温使其发生反应：SiO2 (s) + 3C(s) —a-SiC (s) + 2C0(g) (1)在工业生产中，用于合成的石英砂和焦炭通常含有Al和Fe等金属杂质，因此，所得到 的SiC 一般都固溶有少量的杂质其中，杂质含量少的呈绿色，被称为绿色碳化硅;杂质含量 多的呈黑色， 被称为黑色碳化硅3. 2直接化合法在一定的温度下，使高纯的硅与碳黑直接发生反应，由此可合成出高纯度的硅B-SiC 粉末Si(s) +C(s)—B-SiC(s) (2)3. 3热分解法使聚碳硅烷或三氯甲基硅烷等有机硅聚合物在1200C一 1500C的温度范围内发生分解 反应，由此可合成出亚微米级的B-SiC粉末3. 4气相反应法使SiCl4和SiH4等含硅的气体以及CH4、C7H8和CC14等含碳的气体或者使CH3SiCl3、 (CH3)2SiCI2和Si(CH3)4等同时含有硅和碳的气体在高温下发生反应，由此可合成出纳米 级的B-SiC超细粉。

其中，几个有代表性的合成反应为：7SiCl4(g) +C7H8(g) + 10H2(g)—7B-SiC(s) +28HCL(g) (3)SiH4(g) +CH4(g)—B-SiC(s) +4H2(g) (4)CH3SiCl3(g)—B-SiC(s) +3HCl(g) (5)4碳化硅陶瓷的烧结工艺前已提及,SiC是强共价键结合的化合物因而，烧结时的扩散速率相当低据J. D. Hon 等人【2】的研究结果，即使在2100C的高温下，C和Si的自扩散系数也很小，所以，SiC 很难烧结，必须借助添加剂或外部压力或渗硅反应才能实现致密化目前，制备高密度SiC 陶瓷的方法主要有无压烧结、热压烧结、热等静压烧结和反应烧结等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，因此，被认为是SiC陶瓷的最有的前途的烧结方法采用热压烧结工艺只能制备简单形状的SiC部件,而且一次热烧结过程所制备的产品数量很 小，因而，不利于商业化生产尽管热等静压工艺可以获得复杂形状的Sic制品，但必须对 素坯进行包封,所以,也很难实现工业化生产通过反应烧结工艺可以制备出复杂形状的 SiC部件，而且其烧结温度较低，但是，反应烧结SiC陶瓷的高温性能较差。

表1给出了无 压烧结、热压烧结、热等静压烧结和反应烧结中SiC陶瓷的某些性能显然，SiC陶瓷的性 能因烧结法的不同而不同一般来说，无压烧结SiC陶瓷的综合性能优于反应烧结的SiC， 但逊色于热压烧结和热等静压烧结的SiC表1 SiC陶瓷的烧结方法及性能比较烧结方法无压烧结热压烧结热等静压烧 结反应烧结抗弯强度(MPa)20C4106406403801400C410650610300韦布尔模数7-108-1011-1410-12弹性模量(GPa)410450450350热导率 (W/m ・ K)20C1101302201401000C45455050体积密度g/ cm33.123.213.213.055各种碳化硅陶瓷的性能特点图1表示了几种SiC陶瓷的抗氧化性能可以看出：SiC的抗氧化能力除了与氧化温度 和氧化时间有关外还受烧结添加剂的影响例如，1280°C空气中氧化100小时后，添加 B4C+C的热压烧结的SiC陶瓷的重量仅增加1.06mg/cm2 ,而添加AIR的热压烧结SiC陶瓷 的重量增加达到1.82mg/cm2其原因是：烧结时Al^会与SiC颗粒表面的SiO2发生反应, 生成铝硅酸盐液相并存在于晶界。

这样，在氧化过程中，液相会加速氧的扩散，从而促使氧 化进一步加剧图2对各种SiC陶瓷的耐高温性能进行了比较可以看出当温度低于900C时，几乎所 有SiC陶瓷的强度均有所提高这主要归功于测试过程中氧化所引起的表面裂纹的愈合对 于反应烧结SiC陶瓷，由于烧结体中含有一定量的游离硅，当温度超过1400C时，其抗弯强 度急剧下降对于无压烧结、热压烧结和热等静压烧结的SiC陶瓷，其耐高温性主要受添加 剂种类的影响当以B4C+C、B+C或A1N+C为烧结添加剂时，其抗弯强度直到1400C时基本 上保持不变；当以Al2O3或Al作添加剂时，其抗弯强度随着温度的进一步升高而降低图1几种SiC陶瓷的抗氧化性能1上海硅酸盐研究所添加Al2O3的热等静压烧结SiC;2上海硅酸盐研究所添加Al：的热压烧结SiC;3上海硅酸盐研究所添加B4c+c的热压烧结SiC;4日本特殊陶业反应烧结SiC;1美国Nor ton公司热压烧结NC — 203（添加2上海硅酸盐研究所热压烧结SiC（掺Al203）;3德国热压烧结SiC （掺Al）; 2 34上海硅酸盐研究所热等静压烧结SiC（掺AlO）;235日本特殊陶业无压烧结EC -422;6上海硅酸盐研究所热压烧结SiC （掺B4C+C）;7日本特殊陶业反应烧结ECO-414;8英国反应烧结Refel-SiC;9美国GE公司无压烧结B-SiC （掺B+C）;10德国无压烧结SiC （掺AlN十C）;11日本特殊陶业无压烧结EC-425;12德国无压烧结SiC（掺B+C）6碳化硅陶瓷的应用现状近年来，随着SiC陶瓷制造技术的不断改进，其性能不断提高，应用范围也越来越广。

目前，SiC陶瓷已在石油、化工、机械、微电子、汽车、航空航天、钢铁、造纸、激光、核 能及加工等工业领域获得大量应用（见表2）， 并日益展示出其它结构陶瓷所无法比拟的优 点表2SiC陶瓷的用途汇总工业领域使用环境主要用途性能特点石油高温、（液）高压、 摩擦喷嘴、轴承、阀片、密 封件耐磨损、抗腐蚀化学强酸、强碱高温、氧化密封件、轴承、泵套筒、管道、 气化管道、热电偶套管耐磨损、耐腐蚀耐磨损、耐腐蚀宇航高温燃烧室部件、涡轮转子、 燃汽机叶片、火箭喷嘴、火 箭燃烧室内衬低摩擦、高强度、 耐热冲击、高热稳定性、•耐腐蚀汽车（油）摩擦阀系列元件低摩擦、耐腐蚀钢铁高温、空气热电偶套管、辐射管、热交换器、燃烧嘴耐高温、耐腐蚀造纸纸浆废液、纸桨密封件、套筒、轴承、 衬垫低摩擦、耐磨损、耐腐蚀电子散执集成电路基片、封装材 料高热导、高绝缘机械研磨、滑动、旋转内衬、泵零件、喷砂嘴、 轴承、阀耐磨损、耐腐蚀、 硬度、低摩擦激光高温反射屏咼刚度、热稳定性核能含硼高温水密封件、轴套耐辐射加工成型过程拉丝模耐腐蚀、耐磨损硅酸盐高温电炉发热体高热稳定性冶金高温热交换器耐高温众所周知, 发动机的效率随工作温度的提高而增加。

据计算 , 发动机的工作温度由 1100°C提高到1370°C时，其热效率可增加30%为了提高发动机的热效率，充分利用能源， 降低燃料消耗，减少大气污染，希望发。