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碳化硅陶瓷件生产工艺和应用

2024-07-04 09:39:42

碳化硅是一种人造材料，只是在人工合成碳化硅之后，才证实陨石中及地壳上偶然存在碳化硅。碳化硅的分子式为 SiC，分子量为 40.07，质量百分组成为 70.04的硅与 29.95 的碳，碳化硅的理论密度为 3.16-3.2g/cm3。

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碳化硅陶瓷与其他耐高温结构陶瓷的物理性能比较

SiC 是以共价键为主的共价化合物，由于碳和硅两元素在形成 SiC 晶体时，它的基本单元是四面体，所有 SiC 均由 SiC 四面体堆积而成，所不同的只是平行结合和反平行结合，从而形成具有金刚石结构的 SiC。SiC 共有 75 种变体，如 3C-SiC、 4HSiC、 15R-SiC 等，其中α -SiC、β -SiC 最为常见。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。SiC 中各种多型体之间的自由能相差很小，因此，微量杂质的固溶也会引起多型体之间的热稳定关系变化。


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碳化硅的不同晶型

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碳化硅的合成


在工业生产中，用于合成 SiC 的石英砂和焦炭通常含有 Al 和 Fe 等金属杂质。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。一般碳化硅含量愈高、颜色愈浅，高纯碳化硅应为无色。

目前，碳化硅陶瓷的研究热点是纳米级复合材料合成和高温自蔓燃（SHS 法）纳米复相陶瓷。在粉末的制备技术方面，溶胶－凝胶法（ Sol－ Gel 法）、化学气相法（CVD 法）和高温自蔓燃（SHS 法）合成三足鼎立；从低成本和实用化来看，无机溶胶－凝胶法（Sol－ Gel 法）和高温自蔓燃（SHS 法）合成较为优势；在成形技术方面，胶态分散成形、注浆成形和等静压成形引人注目；在烧结技术方面，除刀具外，一般更倾向于常压烧结或气氛烧结。

SiC 是强共价键结合的化合物， 烧结时的扩散速率相当低，即使在 2100 ℃的高温下， C 和Si 的自扩散系数也仅为 1.5× 10-10cm2/s 和 2.5× 10-13cm2/s。所以，很难烧结 SiC，必须借助添加剂形成特殊的工艺手段促进烧结。目前制备高温 SiC 陶瓷的方法主要有无压烧结、热压烧结、热等静压烧结、反应烧结等。常压烧结被认为是 SiC 烧结最有前途的烧结方法，通过常压烧结工艺可以制备出大尺寸和复杂形状的 SiC 陶瓷制品。


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先进陶瓷制备的主要步骤


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碳化硅陶瓷的烧结方法及性能


由于其优异的奈高温，耐腐蚀性能，碳化硅陶瓷件已经广泛应用于高温轴承、防弹板、喷嘴、高温耐蚀部件以及高温和高频范围的电子设备零部件等


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