碳化硅陶瓷

新型陶瓷班级：应化1101组员：丁超凡付文静郭珊韩丹丹韩双传统陶瓷——是用天然或人工合成的粉状化合物，经过成型和高温烧结制成的，由无机化合物构成的多相固体材料。新型陶瓷——以精致的高纯天然无机物或人工合成的无机化合物为原料，采用精密控制的加工工艺烧结，具有优异的性能。传统陶瓷(China)新型陶瓷一、概述二、SiC粉末的合成三、SiC的烧结方法四、反应烧结碳化硅的成型工艺五、碳化硅陶瓷的应用依据材料功能可分为：分类结构陶瓷功能陶瓷定义以强度、刚性、韧性、耐磨性、硬度、疲劳强度等力学性能为特征的材料以声、光、电、磁、热等物理性能为特征种类高温高强陶瓷、工模具陶瓷、耐磨陶瓷，特种耐火陶瓷等集成电路封装材料（Al2O3）、敏感陶瓷（热、气敏、湿敏、压敏、色敏）用途发动机、热交换器、密封件、切削刀具等微电子、信息、自动控制和智能机械，生物功能特性优良的力学性能（高强、高硬、耐磨损），热学性能（抗热冲击、抗蠕变），化学性能（抗氧化，抗腐蚀）一、概述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。二、SIC粉末的合成：SiC在地球上几乎不存在，仅在陨石中有所发现。因此，工业上应用的SiC粉末都为人工合成。目前，合成SiC粉末的主要方法有：1、Acheson法：这是工业上采用最多的合成方法，即用电将石英砂和焦炭的混合物加热至2500℃左右高温反应制得。因石英砂和焦炭中通常含有Al和Fe等杂质，在制成的SiC中都固溶有少量杂质。其中，杂质少的呈绿色，杂质多的呈黑色。2、化合法：在一定的温度下，使高纯的硅与碳黑直接发生反应。由此可合成高纯度的β－SiC粉末。3、热分解法：使聚碳硅烷或三氯甲基硅等有机硅聚合物在1200～1500℃的温度范围内发生分解反应，由此制得亚微米级的β－SiC粉末。4、气相反相法：使SiCl4和SiH4等含硅的气体以及CH4、C3H8、等含碳的气体在高温下发生反应，由此制备纳米级的β－SiC超细粉。三、SIC的烧结由于碳化硅陶瓷的高性能和在工业领域中的广泛应用，SiC的烧结一直是材料界研究的热点，如何采用较简单的生产工艺在较低的温度下制备得到高致密度的碳化硅陶瓷制品也是研究者一直关心的课题；但由于碳化硅是一种共价性极强的共价键化合物，所以SiC很难烧结，必须借助烧结助剂或外部压力才可能在2000℃以下实现致密化。烧结过程示意图有研究在2050℃和SiC+1%B4C+3%C体系热压保温45分钟工艺条件下，密度达到理论致密度的98.75%。由于热压工艺自身的缺点而无法应用在商业化生产中，因此无压烧结成了高性能碳化硅陶瓷工业化首选的制备方法。碳化硅烧结反应工艺流程图烧结方法无压烧结1974年美国GE公司通过在高纯度β－SiC细粉中同时加入少量的B和C，采用无压烧结工艺，于2020℃成功地获得高密度SiC陶瓷。目前，该工艺已成为制备SiC陶瓷的主要方法。最近，有研究者在亚微米SiC粉料中加入Al2O3和Y2O3，在1850℃～2000℃温度下实现SiC的致密烧结。由于烧结温度低而具有明显细化的微观结构，因而，其强度和韧性大大改善。无压烧结热压烧结热等静压烧结反应烧结实验表明，采用无压烧结、热压烧结、热等静压烧结和反应烧结的SiC陶瓷具有各异的性能特点。假如就烧结密度和抗弯强度来说，热压烧结和热等静压烧结SiC陶瓷相对较高，反应烧结SiC相对较低。另一方面，SiC陶瓷的力学性能还随烧结添加剂的不同而不同。无压烧结、热压烧结和反应烧结SiC陶瓷对强酸、强碱具有良好的抵抗力，但反应烧结SiC陶瓷对HF等超强酸的抗蚀性较差。就耐高温性能比较来看，当温度低于900℃时，几乎所有SiC陶瓷强度均有所提高；当温度超过1400℃时，反应烧结SiC陶瓷抗弯强度急剧下降。（这是由于烧结体中含有一定量的游离Si，当超过一定温度抗弯强度急剧下降所致）对于无压烧结和热等静压烧结的SiC陶瓷，其耐高温性能主要受添加剂种类的影响模压成型(StampingProcess)将一定量的粉料填充模具内，在一定载荷下压制成型。该成型由于载荷为单向的，也称为单向压制成型。在成型过程中，由于模具填充的不均匀和压制过程本身造成坯体内密度存在变化。由于干压成形的坯料水分少，压力大，坯体比较致密，因此能获得收缩小，形状准确，无需大力干燥的生坯。干压成形过程简单，生产量大，缺陷少，便于机械化，因此对于成型形状简单、小型的坯体颇为合适。但对于形状复杂、大型的制品采用一般的干压成形就有困难。在此基础上，有人提出了双向加压、振动压制和磁场压制。模压成型等静压成型注浆成型碳化硅陶瓷的应用由于碳化硅陶瓷所具有的高硬度、高耐腐蚀性以及较高的高温强度，使得碳化硅陶瓷得到了广泛的应用。主要有以下几个方面：密封环：碳化硅陶瓷的耐化学腐蚀性好、强度高、硬度高，耐磨性能好、摩擦系数小，且耐高温，因而是制造密封环的理想材料。它与石墨材料组合配对时，其摩擦系数比氧化铝陶瓷和硬质合金小，因而可用于高PV值，特别是输送强酸、强碱的工况中使用。研磨介质：碳化硅陶瓷由于其高硬度的特点而广泛用于耐磨机械零件中，特别是球磨机中的研磨介质（磨介）。球磨机中所用的磨介对研磨效率有着重要的影响，其基本要求是硬度高、韧性好，以保证研磨效率高、掺杂少的要求。防弹板：碳化硅陶瓷由于硬度高、比重小、弹道性能较好、价格较低，而广泛用于防弹装甲中，如车辆、舰船的防护以及民用保险柜、运钞车的防护中。碳化硅陶瓷的弹道性能优于氧化铝陶瓷，约为碳化硼陶瓷的70-80%，但由于价格较低，特别适合用于用量大，且防护装甲不能过厚、过重的场合。喷嘴：作喷嘴的陶瓷材料有多种，常用的是氧化铝、碳化硅和碳化硼陶瓷等。氧化铝陶瓷喷嘴的价格低，但由于硬度低，其耐磨性较差，多用于喷砂工作量不大的场合。碳化硅陶瓷的使用寿命是氧化铝陶瓷的３－５倍，与硬质合金相当，多用于硬质合金的替代品，特别是在手持喷枪的工况中使用。磁力泵泵件：随着工业化的发展，特别是ISO14000国际标准的贯彻执行，对不利于环境保护液体的输运提出了更高的要求。磁力泵由于采用静密封代替机械密封、填料密封等动密封，因而泄漏更小、可靠性更高、使用寿命更长。高温耐蚀部件：碳化硅陶瓷最重要的特性之一是它的高温强度，即在1600oC时强度基本不降低，且抗氧化性能非常好，因而可在高温结构件中使用。如高温炉的顶板、支架，以及高温实验用的卡具等。贝壳与陶瓷发动机的故事英国帝国化学工业公司的威廉·克莱格博士贝壳—坚硬，很不容易摔破—原理？贝壳由许多层状的碳酸钙组成的，但在每层碳酸钙中间夹着一层有机质，把层层碳酸钙粘在一起。把碳化硅烧结成薄薄的陶瓷片，然后在每片碳化硅陶瓷上涂上石墨层，再把涂上石墨层的碳化硅陶瓷一层层叠起来加热挤压，使坚硬的碳化硅陶瓷粘在石墨层上，石墨和贝壳中的有机质一样，起黏结剂作用，而且粘得很牢固。在正常情况下能把所有的碳化硅层紧紧粘在一起，只是在遇到冲击力产生裂纹时才分开。但这种冲击力也只能使表面的几层脱掉，而在表面很薄的几层脱掉时就已把大部分冲击能量吸收掉了，避免了使整个零件碎裂。贝壳与陶瓷发动机的故事折断这种涂有石墨层的碳化硅陶瓷，所花的力比折断没有石墨结合的整块碳化硅陶瓷所花的力约大100倍。涂石墨的碳化硅陶瓷不仅成本低，而且熔点极高，韧性和木头的韧性很接近，因此不怕颠簸和振动。我国第一辆用陶瓷发动机做动力的大客车，于1991年3月在上海——北京之间的公路上行驶了3500千米，沿途不用加冷却水，因为它不需要冷却系统。1991年3月22日，《光明日报》在第一版显著位置上报道了这个振奋人心的消息。总结SiC陶瓷在许多工业领域中的应用显示了优良的性能，因而引起了人们的普遍重视。在无机非金属材料领域中SiC陶瓷是一个很大的家族，其触角几乎伸遍了所有的工业领域。但是由于SiC陶瓷的难烧结性，因而它的制作工艺和生产都较昂贵，降低SiC陶瓷的烧成温度和寻找新的廉价的生产工艺仍是材料工作者的研究重点。同时挖掘和开发SiC陶瓷（粉末）的所有优点造福于人类也是我们工作的重点。SiC陶瓷有它广阔的发展和应用前景。