生成机理：
当温度达到1500℃以上时，SiO2从石英颗粒自由表面开始蒸 发和分解。 SiO2+和SiO的蒸汽穿过配料的气孔扩散，并吸 附在碳颗粒上。在固体碳和碳表面吸附的SiO2之间反应生成 SiC。在SiO2固体颗粒与碳接触的地方，仅在开始阶段发生 反应，生成的SiC层使得接触中断，固相反应停止。
碳化硅粉体的制备
SiC是在陨石中发现的，在地球上几乎不存在，因此，工 业上应用的SiC粉末都是人工合成的。
（1）二氧化硅-碳还原法
用石英砂SiO2加焦炭直接通电还原（在电弧炉中），温度： 1900℃以上 SiO2 +3C→SiC+2CO 由于炉内各区带温度不同，先生成一氧化硅： SiO2 +C→SiO+CO SiO +C→Si+CO Si +C→SiC
（3）热分解法 使聚碳硅烷或三氯甲基硅烷等有机硅聚合物在1200℃一 1500℃的温度范围内发生分解反应, 由此可合成出亚微米级 的β -SiC粉末。 （4）直接化合法 在一定的温度下, 使高纯的硅与碳黑直接发生反应, 由此 可合成出高纯度的硅β -SiC 粉末 Si(s) +C(s)→β -SiC(s)
碳化硅陶瓷的烧结方法
SiC是强共价键结合的化合物,烧结时的扩散速率相当低。据J. D. Hon等人的研究结果，即使在2100℃的高温下，C和Si的自扩散 系数也很小,所以，SiC很难烧结，必须借助添加剂或外部压力或 渗硅反应才能实现致密化。 目前，制备高密度SiC陶瓷的方法主要有无压烧结、热压烧结、 热等静压烧结和反应烧结等。
• 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。
• 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。
•β -SIC (面心立方晶系)和α -SIC (六方晶系) 。β -SIC 为 低温稳定型，α -SIC为高温稳定型，转变温度2100℃，转变速 率很小;
C ○ Si ○ ○ C C ○ ○ C
A平行
B反平行
SiC 的硬度高（莫氏9.5级）、弹性模量大, 具有优良的耐磨 损性能。 碳化硅制品的导热率非常高，热膨胀参数小，抗热震性非常高， 是优质的耐火材料。, SiC氧化时, 表面形成的二氧化硅层会抑制氧的进一步扩散, 因而, 其氧化速率并不高。 在电性能方面, SiC具有半导体特性, 少量杂质的引入会使其 表现出良好的导电性：
陶瓷的用途汇总
工业领域 石油 宇航 汽车 电子 机械 使用环境 高温、(液)高压、摩 擦 高温 （油）摩擦 散热 研磨、滑动、旋转 主要用途 喷嘴、轴承、阀片、密 封件 燃烧室部件、涡轮转子、 燃汽机叶片、火箭喷嘴、 火箭燃烧室内衬 阀系列元件 性能特点 耐磨损、抗腐蚀 低摩擦、高强度、 耐热冲击、高热稳 定性、.耐腐蚀 低摩擦、耐腐蚀 高热导、高绝缘 耐磨损、耐腐蚀、 硬度、低摩擦
集成电路基片、封装材 料
内衬、泵零件、喷砂嘴、 轴承、阀
激光
核能
高温
含硼高温水
反射屏
密封件、轴套
高刚度、热稳定性
耐辐射
(1)热压烧结
纯碳化硅粉热压烧结可以接近理论密度，但需要高温 （大于2000℃）和高压（350MPa）。采用添加剂，可 强烈促进致密化速率，并获得接近理论密度的碳化硅材 料。
常用添加剂：Al2O3、AlN、BN、B等；B的最大加入量 是0.36%。 机理：游离碳的存在与B生成B4C，再与SiC形成固溶体， 液相烧结过程对物质迁移起了重要作用。
合成碳化硅时，固态碳与气态SiO按前式反应起决定性作用。 SiC的进一步生成过程主要是通过SiC产物层的扩散所限制。
SiC固溶有少量的杂质。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。
（2）气相反应法 采用挥发性硅的卤化物（如：SiCl4）及碳氢化合物 （如：CH4、C7H8）按气相合成法来制取。 常用的碳载体化合物：苯、乙烷、甲烷和四氯化碳等。 典型合成反应: 7SiCl4(g) +C7H8(g) + 10H2(g)→7β-SiC(s) +28HCl(g) SiH4(g) +CH4(g)→β-SiC(s) +4H2(g) CH3SiCl3(g)→β-SiC(s) +3HCl(g) 氢的作用：抑制在SiC生成过程中游离硅和碳的沉积。 特点：所制备的碳化硅产物高纯度、细分散； 相似方法：含有硅和碳的气体在高温下发生反应，由此 可合成出纳米级的β-SiC 超细粉。
SiC陶瓷的烧结方法及性能比较
烧结方法 无压烧结 热压烧结 热等静压烧结 反应烧结
抗弯强(MPa) 20℃ 1400℃ 韦布尔模数 弹性模量(GPa) 热导率(W/m·K) 20℃ 1000℃
复杂形状 和大尺寸 的SiC部 410
件，最 410 有的前 途的烧 7-10 结方法
410
只能制备 简单形状 640 的SiC部件， 产品数量 650 很少，不 利于商业 8-10 化生产
硅陶瓷的性质与用途
• 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。
碳化硅SiC
演讲者：张波
碳化硅
• 碳化硅俗称金刚砂，又称碳硅石，是一种典型的共价键 的化合物 ； • 电负性：△x=0.7,离子键12%，共价键性很强； • 密度：3.16~3.2g/cm3 ； • 结构单元：均由SiC四面体堆积而成（硅原子处于中心， 周围是碳）; • 常见的碳化硅结构：a、6H、15R、4H和β 型碳化硅（H 和R代表六方和斜方六面型式，H和R之前的数字表示沿c 轴重复周期的层数）； • β -SIC (面心立方晶系)和α -SIC (六方晶系) ;
(3)反应烧结 反应烧结SiC又称自结合SiC，是由a- SiC粉和石墨粉 按一定比列混合压成坯体后，加热到1650℃左右，同 时熔渗Si或通过气相Si渗入坯体，使之与石墨起反应生 成β- SiC，把原来存在的a- SiC颗粒结合起来。 特点：如果允许完全渗Si，那么整个过程中可获得气孔 率为零，无几何尺寸变化的材料。 实际生产中，生坯要有过量的气孔，以防止由于渗Si过 程首先在表面进行，而形成不透气的SiC层，从而阻止 反应烧结的继续进行。反应烧结过程中多余的气孔被 过剩的Si所填满，从而得到无孔致密制品。
原料中a相的含量对坯体及微观结构有明显影响： ＜10% ≈30% a相的存在降低产品密度； a-SiC抑制产品晶体长大；
＞30%
呈现均匀的微细晶体结构；
3
(2)常压烧结 烧结机理：扩散烧结； 扩散烧结的难易与晶界能和表面能之间的比值有关， 促进烧结时：rg/rs＜ 3 纯SiC不能进行烧结。加入硼时，硼处于SiC晶界上， 部分与SiC形成固溶体，降低SiC的晶界能；此外， 加入C有助于SiC表面上的SiO2膜还原除去，从而增 加表面能，使rg/rs＜ ；超细粉末可提供致密化所 3 需要的力学推动力，缩短扩散距离，初进烧结。
450
可以获得 复杂形状 的SiC制 640 品，素坯 610 进行包 封 ，难 11-14 实现工业 化生产 450
380 300 10-12 制备出复 杂形状的 350 SiC部件 ， 烧结温度 较低，高 温性能较 140 差 50
110 45
130 45
220 50
体积密度g/ cm³
3.12