21世纪随着科学技术的进步，当今社会生产力的发展集中在信息、能源、材料、生物工程等几个方面。碳化硅材料由于其化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、密度小、耐磨性能好、硬度大、机械强度高、耐化学腐蚀等特点，在材料领域迅速发展起来。

碳化硅陶瓷起始于20世纪60年代，之前碳化硅主要用于机械磨削材料和耐火材料。但随着先进陶瓷的发展，人们已经不满足于制备传统碳化硅陶瓷，近几年，各类以碳化硅陶瓷为基的复相陶瓷相继出现，改善了单相材料的各方面性能，使得碳化硅陶瓷得到了更加广泛地应用。碳化硅陶瓷材料密度低、硬度高、耐高温、热膨胀系数小、耐腐蚀，现普遍用于陶瓷球轴承、阀门、半导体材料、测量仪、航空航天等领域。

1.碳化硅的性质

碳化硅是一种人造材料，分子式为SiC，陨石及地壳上偶然存在碳化硅。碳化硅分子量为40.07，密度为3.16～3.2g/cm³。SiC具有α和β两种晶型，当温度低于1600℃时，SiC以β-SiC形式存在，当高于1600℃时，β-SiC转变为α-SiC的形式。碳化硅以共价键为主，共价键约占88%。晶格的基本结构是互相穿插的SiC₄和CSi₄四面体。由于四面体堆积次序的不同形成不同的结构，至今已发现几百种变体，常见的结构如3C-SiC、4H-SiC、6H-SiC等，堆积规律如图所示。

图1 常见碳化硅多型体的原子排列图[1]

碳化硅的化学稳定性与其氧化特性有密切关系，碳化硅本身很容易氧化，但它氧化之后形成了一层二氧化硅薄膜，氧化进程逐步被阻碍。在空气中，碳化硅于800℃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。碳化硅的氧化速率，在氧气中比在空气中快1.6倍；氧化速率的速度随着时间推移而减慢。

纯碳化硅是无色透明的结晶，工业碳化硅有无色、淡黄色、浅绿色、深绿色、浅蓝色、深蓝色及黑色，透明程度岁颜色加深依次降低。磨料行业把碳化硅按色泽分为黑色碳化硅和绿色碳化硅两类。其中无色至深绿色归入绿色碳化硅类，浅蓝色至黑色归入黑色碳化硅类。黑色和绿色这两种碳化硅机械性能略有不同，绿色碳化硅较脆，制成的磨具富于自锐性；黑碳化硅较韧，因此这两种碳化硅用途也有所不同。

2.碳化硅陶瓷的制备

（一）超细碳化硅粉体的制备

近年来，在高新技术领域发展起来的超细碳化硅粉体制备的方法，主要归为三种：固相法、液相法和气相法。

固相法主要包括以下几种：碳热还原法、Si与C直接反应法（包括高温自蔓延合成法和机械合金化法）。

液相法主要包括以下几种：溶胶—凝胶法、聚合物热分解法和溶剂热法。

气相法主要包括以下几种：气相反应沉积法（CVD）、等离子体法、激光诱导气相法。

图2 碳热还原法生成的碳化硅粉体扫描图[2]

（二）碳化硅陶瓷的制备

碳化硅是一种典型的共价键结合的稳定化合物，加上其扩散系数低，很难用常规的烧结方法来实现致密化，必须通过添加一些烧结助剂来降低表面能或增加外界压力来达到烧结。

a.反应烧结碳化硅陶瓷

这种方法是以α-SiC和C为原料，加入适量的粘结剂进行成型和千燥处理，然后放入含有Si的埋料中。当坯体在炉内受热超过1400℃时，坯体周围的Si熔融，或以液态，或以气态透入到坯体的毛细管中，同坯体中的C反应生成SiC。产生的SiC逐渐填充坯体中的孔隙，并把原有的α-SiC连结起来，最后达到制品的致密化，并获得强度。

b.热压烧结碳化硅陶瓷

热压烧结即在烧结过程中施加一定的压力，压力的存在使原子扩散速率增大，烧结驱动力增加，从而加快烧结过程。然而，在高压条件下，烧结体中会出现垂直于压力方向定向生长的晶粒，为避免这种现象，可以选用热等静压烧结的方法。

c.无压烧结碳化硅陶瓷

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。

表1 固相烧结和液相烧结的区别[3]

3.碳化硅陶瓷的应用

表2 碳化硅陶瓷的应用领域[1]

a.碳化硅陶瓷球

精密球是圆度仪、陀螺、轴承和精密测量中的重要元件，并常作为精密测量的基准，在精密设备和精密加工中具有十分重要的地位。精密球目前主要采用金属材料，但存在耐磨损性能较差、受温度影响变形较大等问题。而陶瓷球以其重量轻、硬度高、耐磨损、耐高温、耐腐蚀、热膨胀系数小等优点，已广泛地应用于精密轴承等零部件中。

图3 碳化硅球和碳化硅轴承

b.碳化硅磨料磨具

碳化硅的硬度很大，可制备成各种磨削用的砂轮、砂纸和磨料，主要用于机械加工行业。碳化硅的莫氏硬度为9.2～9.6，仅次于金刚石和碳化硼，是一种常用的磨料。

图4 碳化硅磨料丝抛光轮和砂轮

c.碳化硅基复合材料

由于陶瓷材料固有脆性，限制了其在宇航等高技术领域的应用，因此对碳化硅材料的增韧研究非常重视；采用碳化硅编织体增韧，不仅可提高陶瓷材料的韧性，而且可不同程度地提高材料的强度和模量。碳化硅基复合材料以其高韧性、高强度和优异的抗氧化性能等在宇航领域的高温热结构方面得到了广泛的应用。

图5 碳化硅纤维和通用电器航空用碳化硅基陶瓷复合材料

参考文献

[1]李缨, 黄凤萍, 梁振海. 碳化硅陶瓷的性能与应用[J]. 陶瓷, 2007(5):36-41.

[2]龙海波. SiC粉体的合成与表征[D]. 沈阳大学, 2007.

[3]常永威. 高性能碳化硅陶瓷材料制备技术研究[D]. 南京理工大学, 2009.

[4]柴威, 邓乾发, 王羽寅,等. 碳化硅陶瓷的应用现状[J]. 轻工机械, 2012, 30(4):117-120.

作者：L-things