[实践]碳化硅陶瓷工艺流程是什么

[实践]碳化硅陶瓷工艺流程是什么 碳化硅陶瓷工艺流程是什么, 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。 SiC陶瓷的优异性能与其独特结构密切相关。SiC是共价键很强的化合物，SiC中Si-C键的离子性仅12,左右。因此，SiC强度高、弹性模量大，具有优良的耐磨损性能。纯SiC不会被HCl、HNO3、H2SO4和HF等酸溶液以及NaOH等碱溶液侵蚀。在空气中加热时易发生氧化，但氧化时表面形成的SiO2会抑制氧的进一步扩散，故氧化速率并不高。在电性能方面，SiC具有半导体性，少量杂质的引入会表现出良好的导电性。此外，SiC还有优良的导热性。 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。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。 现就SiC陶瓷的生产工艺简述如下: 一、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: SiC粉末。 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, 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、C7H8和(Cl4等含碳的气体或使CH3SiCl3、(CH3)2 SiCl2和Si(CH3)4等同时含有硅和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。 二、碳化硅陶瓷的烧结 1、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。美国GE公司研究者认为:晶界能与表面能之比小于1.732是致密化的热力学条件，当同时添加B和C后，B固溶到SiC中，使晶界能降低，C把SiC粒子表面的SiO2还原除去，提高表面能，因此B和C的添加为SiC的致密化创造了热力学方面的有利条件。然而，日本研究人员却认为SiC的致密并不存在热力学方面的限制。还有学者认为，SiC的致密化机理可能是液相烧结，他们发现:在同时添加B和C的β,SiC烧结体中，有富B的液相存在于晶界处。关于无压烧结机理，目前尚无定论。 以α,SiC为原料，同时添加B和C，也同样可实现SiC的致密烧结。 研究表明:单独使用B和C作添加剂，无助于SiC陶瓷充分致密。只有同时添加B和C时，才能实现SiC陶瓷的高密度化。为了SiC的致密烧结，SiC粉料的比表面积应在10m2,g以上，且氧含量尽可能低。B的添加量在0.5,左右，C的添加量取决于SiC原料中氧含量高低，通常C的添加量与SiC粉料中的氧含量成正比。 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。 、热压烧结 2 50年代中期，美国Norton公司就开始研究B、Ni、Cr、Fe、Al等金属添加物对SiC热压烧结的影响。实验表明:Al和Fe是促进SiC热压致密化的最有效的添加剂。 有研究者以Al2O3为添加剂，通过热压烧结工艺，也实现了SiC的致密化，并认为其机理是液相烧结。此外，还有研究者分别以B4C、B或B与C，Al2O3和C、Al2O3和Y2O3、Be、B4C与C作添加剂，采用热压烧结，也都获得了致密SiC陶瓷。 研究表明:烧结体的显微结构以及力学、热学等性能会因添加剂的种类不同而异。如:当采用B或B的化合物为添加剂，热压SiC的晶粒尺寸较小，但强度高。当选用Be作添加剂，热压SiC陶瓷具有较高的导热系数。 3、热等静压烧结: 近年来，为进一步提高SiC陶瓷的力学性能，研究人员进行了SiC陶瓷的热等静压工艺的研究工作。研究人员以B和C为添加剂，采用热等静压烧结工艺，在1900?便获得高密度SiC烧结体。更进一步，通过该工艺，在2000?和138MPa压力下，成功实现无添加剂SiC陶瓷的致密烧结。 研究表明:当SiC粉末的粒径小于0.6μm时，即使不引入任何添加剂，通过热等静压烧结，在1950?即可使其致密化。如选用比表面积为24m2,g的SiC超细粉，采用热等静压烧结工艺，在1850?便可获得高致密度的无添加剂SiC陶瓷。 另外，Al2O3是热等静压烧结SiC陶瓷的有效添加剂。而C的添加对SiC陶瓷的热等静压烧结致密化不起作用，过量的C甚至会抑制SiC陶瓷的烧结。 4、反应烧结: SiC的反应烧结法最早在美国研究成功。反应烧结的工艺过程为:先将α,SiC粉和石墨粉按比例混匀，经干压、挤压或注浆等方法制成多孔坯体。在高温下与液态Si接触，坯体中的C与渗入的Si反应，生成β,SiC，并与α,SiC相结合，过量的Si填充于气孔，从而得到无孔致密的反应烧结体。反应烧结SiC通常含有8,的游离Si。因此，为保证渗Si的完全，素坯应具有足够的孔隙度。一般通过调整最初混合料中α,SiC和C的含量，α,SiC的粒度级配，C的形状和粒度以及成型压力等手段来获得适当的素坯密度。 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。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。(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。 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。