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碳化硅基本特性及碳化硅陶瓷烧结工艺
2015年01月26日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:11553
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       碳化硅陶瓷材料具有高温强度大、高温抗氧化性强、耐磨损性能好、热稳定性佳 、热膨胀系数小、热导率大、硬度高、抗热震和耐化学腐蚀等优良特性,在汽车、机械化工、环境保护、 空间技术、 信息电子 、能源等领域有着日益广泛的应用,已经成为一种在很多工业领域性能优异的其他材料不可替代的结构陶瓷。


      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。 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航天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。


       1、碳化硅的基本特性


     化学属性


      抗化合性:碳化硅材料在氧气中反应温度达到1300℃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(1627℃)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。


    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/mm³,其碳化硅磨料的堆砌密度在1.2--1.6 g/mm³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。


       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。 


      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。


      2、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:Acheson法、直接化合法、热分解法和气相反应法等。其中在实际工业生产中,最为普及的还是Acheson法。


       Acheson法简介


      Acheson法是工业采用最多的合成方法。α-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℃左右的高温使其发生反应:

      SiO2 (s) + 3C(s) →α-SiC(s)+ 2CO(g)   


      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、碳化硅陶瓷的烧结工艺


      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。


不同烧结方法性能对照表


      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, 并日益展示出其它结构陶瓷所无法比拟的优点。今后, 随着SiC陶瓷制造技术的不断进步, 其用途无疑会越来越广。可以预计, 在不久的将来, 一个以高温机械部件为最终目标的SiC陶瓷市场需求量一定会越来越大。

(粉体圈 作者:梧桐)


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