碳化硅的结构性质和用途

碳化硅的结构性质和用途【摘要】SiC陶瓷材料因其具有良好的耐磨、耐冲刷、耐腐蚀等优异的特性,被广泛应用机械、化工等行业。本文采用双向加压的压制成型方法,通过无压烧结,成功的研制了在高耐磨、耐冲刷环境下所使用的喷砂机用喷砂嘴。【关键字】引言结构与晶型碳化硅（SiC）俗称金刚砂，又称碳硅石是一种典型的共价键结合的化合物，自然界几乎不存在。碳化硅晶格的基本结构单元是相互穿插的SiC4和CSi4四面体。四面体共边形成平面层，并以顶点与下一叠层四面体相连形成三维结构。SiC具有α和β两种晶型。β－SiC的晶体结构为立方晶系，Si和C分别组成面心立方晶格；α－SiC存在着4H、15R和6H等100余种多型体，其中，6H多型体为工业应用上最为普遍的一种。在SiC的多种型体之间存在着一定的热稳定性关系。在温度低于1600℃时，SiC以β－SiC形式存在。当高于1600℃时，β－SiC缓慢转变成α－SiC的各种多型体。4H－SiC在2000℃左右容易生成；15R和6H多型体均需在2100℃以上的高温才易生成；对于6H－SiC，即使温度超过2200℃，也是非常稳定的。常见的SiC多形体列于下表：SiC常见多型体及相应的原子排列多型体晶体结构单位晶胞中参数原子排列次序C（β-SiC）2H（α-SiC）4H（α-SiC）6H（α-SiC）8H（α-SiC）15R（α-SiC）六方六方六方六方六方菱方1246815ABCABCABCABABABABACABACABCACBABCACBAABCABACBAABCACBCABACABCBA性能碳化硅（SiC）陶瓷，具有抗氧化性强，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。因此，已经在石油、化工、机械、航天、核能等领域大显身手，日益受到人们的重视。例如，SiC陶瓷可用作各类轴承、滚珠、喷嘴、密封件、切削工具、燃汽涡轮机叶片、涡轮增压器转子、反射屏和火箭燃烧室内衬等等。制备与烧结碳化硅是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑(生产绿色碳化硅时需要加食盐)等原料在电阻炉内经高温冶炼而成。碳化硅陶瓷的烧结方法有：无压烧结、热压烧结、热等静压烧结、反应烧结。采用采用不同的烧结方法，SiC陶瓷具有各异的性能特点。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陶瓷相对较多，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。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。总之，SiC陶瓷的性能因烧结方法不同而不同。一般说来，无压烧结SiC陶瓷的综合性能优于反应烧结的SiC陶瓷，但次于热压烧结和热等静压烧结的SiC陶瓷。用途碳化硅晶片属于宽带隙半导体材料，是第三代半导体材料，是未来可以替代硅作芯片的材料，将会引起电子行业革命性的变革。目前的主要用途是LED固体照明和应用于高频大功率的无线通讯。手机和笔记本电脑的背景光市场将给碳化硅巨大的需求增长。碳化硅晶片具有高热导率、高电子饱和漂移速度和大临界击穿电压等特点，成为研制高频大功率、耐高温、抗辐照半导体微电子器件和电路的理想材料，在通信、汽车、航空、航天、石油开采以及国防等方面有着广泛的应用前景。随着第三代高温宽带隙半导体材料的发展，未来碳化硅将革命性的取代硅的半导体芯片原料地位，从而提供给人类抗高温、体积小、寿命长、抗辐射的芯片。目前制约SiC晶片发展的关键点在于晶体生长和晶片的切割和抛光，后者决定了产品的良品率和成本。SiC晶片是高技术壁垒，而不是资金壁垒由于SiC晶体生长难度大，造成SiC晶体生长产业化进展缓慢。1、有色金属冶炼工业的应用利用碳化硅具有耐高温，强度大，导热性能良好，抗冲击，作高温间接加热材料，如坚罐蒸馏炉。精馏炉塔盘，铝电解槽，铜熔化炉内衬，锌粉炉用弧型板，热电偶保护管等。2、钢铁行业方面的应用利用碳化硅的耐腐蚀。抗热冲击耐磨损。导热好的特点，用于大型高炉内衬提高了使用寿命。3、冶金选矿行业的应用碳化硅硬度仅次于金刚石，具有较强的耐磨性能，是耐磨管道、叶轮、泵室、旋流器，矿斗内衬的理想材料，其耐磨性能是铸铁．橡胶使用寿命的5—20倍，也是航空飞行跑道的理想材料之一。4、建材陶瓷，砂轮工业方面的应用利用其导热系数。热辐射，高热强度大的特性，制造薄板窑具，不仅能减少窑具容量，还提高了窑炉的装容量和产品质量，缩短了生产周期，是陶瓷釉面烘烤烧结理想的间接材料。碳化硅具有很高的硬度，化学稳定性和一定的韧性，所以碳化硅能用于制造固结磨具、涂附磨具和自由研磨，从而用来加工玻璃、陶瓷、石材、铸铁及某些非铁金属、硬质合金、钛合金、高速钢刀具和砂轮等。5、节能方面的应用利用良好的导热和热稳定性，作热交换器，燃耗减少20%，节约燃料35%，使生产率提高20-30%。特别是矿山选厂用排放输送管道的内放，其耐磨程度是普通耐磨材料的6—7倍。耐火材料和耐腐蚀材料---主要是因为碳化硅具有高熔点（分解温度）、化学惰性和抗热振性，所以碳化硅能用于磨具、陶瓷制品烧成窑炉中用的棚板和匣钵、炼锌工业竖缸蒸馏炉用的碳化硅砖、铝电解槽衬、坩锅、小件炉材等多种碳化硅陶瓷制品。结束语：SiC陶瓷在许多工业领域中的应用显示了优良的性能，因而应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廉价的生产工艺乃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的工作重点。SiC陶瓷由他广阔的发展和应用前景。参考文献：1钱军民，崔凯，艾好，等，多孔陶瓷制备技术研究进展【J】。兵器材料科学与工程。2005.28（5）：602翟凤瑞。多孔陶瓷材料及其应用前景【J】。红河学院学报。2005.3（3）：223碳化硅复相陶瓷的制备与组织性能分析哈尔滨工业大学20064碳化硅电热材料的制备及其结构与性能的研究武汉理工大学2008