碳化硅陶瓷的性能及应用

开篇

随着科学技术的发展，信息、能源、材料、生物工程已经成为当今社会生产力发展的四大支柱，而碳化硅由于化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、密度小、耐磨性能好、硬度大、机械强度高、耐化学腐蚀，在材料领域发展迅速，普遍用于陶瓷球轴承、阀门、半导体材料、陀螺、测量仪、航空航天等领域。

碳化硅陶瓷是从20世纪60年代开始发展起来的，之前碳化硅主要用于机械磨削材料和耐火材料。世界各国对先进陶瓷的产业化十分重视，现在已经不仅仅满足于制备传统碳化硅陶瓷，生产高技术陶瓷的企业发展更快，尤其是在发达国家。近几年以碳化硅陶瓷为基的复相陶瓷相继出现，改善了单体材料的韧性和强度。

碳化硅粉体的制备

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。碳化硅粉体的制备方法较多，有最古老的阿奇逊合成法(Acheson)，也有近十几年发展起来的激光法和有机前驱体法，以下介绍的是典型的Acheson碳化硅合成方法。

该方法是采用碳热还原过程将SiO2与C反应生成SiC。

二氧化硅原料可选用熔融石英砂或破碎过的石英岩，碳可用石墨、石油焦或无灰无烟煤制取，加入NaCl和木屑作为添加剂，一般在~℃的电弧炉中反应合成。

采用该方法生产的也可称为高温法碳化硅，它的相为α-SiC。用此方法生产的碳化硅如果要用到陶瓷生产中，还需经过粉碎与提纯处理，达到所需的纯度与粒度后方能使用。

碳化硅的优势

碳比硅与现在使用广泛的金属材料相比，具有以下优点∶

（1)机械强度高，刚任好

机械强度高可以有效防止材料变形，这点至关重要。碳化硅的机械强度高于刚玉。例如，碳化硅的抗压强度MPa，刚玉仅为75.7MPa;碳化硅的抗弯强度为15.5MPa，而刚玉则为8.72MPa。

（2)硬度大，耐磨损

碳化硅的硬度相当高，按莫氏刻痕硬度为9.2~9.6，仅次于金刚石和碳化硼，高于刚玉而名列普通磨抖的前茅。与金属钢制材料相比，它不仅硬度高，而且在无润滑状态下摩擦系数小，摩擦力相对较小，表面粗糙度小，具有良好的耐磨性。此外，它对外界物质的冲击抵抗能力强，提高了表面的承受能力。

（3)密度小

碳化硅材料的密度比金属小，因而造出的设备更加轻巧。

（4)耐高温，热膨胀系数小

碳化硅是在高温下制成的。在某些高温环境下，要求材料既要有一定的加工强度，又要满足加工精度，碳化硅陶瓷能达到这两点。碳化硅的最高使用温度为℃左右，而钢的承受温度仅为℃。粗略计算，碳化硅的平均热膨胀系数在25~℃范围内为4.4×10-6/℃。碳化硅的热膨胀系数测定结果表明，其量值与其他磨料及高温材料相比要小得多，如刚玉的热膨胀系数可高达(7~8)×10-6/℃。

（5)导热系数高

碳化硅的导热系数很高，这是碳化硅物理性能方面的另一个重要特点。碳化硅的导热系数比其他耐火材料及磨料要大得多，约为刚玉导热系数的4倍。碳化硅所具有的低热膨胀系数和高导热系数，使其制件在加热及冷却过程中受到的热应力较小，这就是为什么碳化硅制件特别耐热震的原因。

（6)耐腐蚀

因为碳化硅具有高熔点(分解温度)、化学惰性和抗热震性，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、坩埚、小件炉材等多种碳化硅陶瓷制品。

碳化硅陶瓷的增韧及应用

由于陶瓷材料固有脆性，因此碳化硅材料的增韧研究受到了广泛的重视。采用连续及其织物和编织体增韧，不仅可提高陶瓷材料的韧性，而且可不同程度地提高材料的强度和模量。

碳化硅在现代的工业中起着不可或缺的作用。

碳化硅陶瓷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，具有良好的自润滑性能，因而可用于高PV值，使密封件的使用寿命及工作的可靠性提高，特别是在输送强酸、强碱的工况中使用。

碳化硅陶瓷还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，特别适合于用量大且防护装甲不能过厚、过重的场合。

用作喷嘴的陶瓷材料也有多种，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、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。

随着工业化的发展，特别是ISO0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。对于磁力泵一般要求免维护的时间为八年，即要求连续运转八年不得拆卸，因而对磁力泵件的选材提出了极为苛刻的要求，如泵中的泵轴、止推盘、轴套等，必须耐磨损、耐腐蚀，而目前能满足上述条件的材料只有碳化硅陶瓷最适合。

除了在传统加工方面及其扩展领域中的应用，碳化硅陶瓷在现代科技中的应用前景更是十分广泛，比如作为半导体材料。随着现代信息化的发展，Si器件已难以承受高温环境，而碳化硅陶瓷具有击穿场强高、热导率大、禁带宽度大、介电常数小等特性，所以在光电器件、高温电子器件和高频大功率器件方面前景广阔。

结语

碳化硅陶瓷在许多工业领域中的应用显示了其优良的性能，因而引起了人们的普遍重视。在无机非金属材料领域中碳化硅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。但是由于碳化硅陶瓷的难烧结性，因而它的制作工艺复杂，生产成本较昂贵。因此，降低碳化硅陶瓷的烧成温度、寻找新的廉价生产工艺同时挖掘和开发碳化硅的更多优点仍是材料工作者的研究重点。可以预见，碳化硅陶瓷将有广阔的发展和应用前景。