碳化硅陶瓷的性能与应用前景学号： **********无机固体材料学课程论文题目：碳化硅的性能与应用前景院系化学与化学工程学院专业化学师范专升本姓名刘倩碳化硅陶瓷的性能与应用前景摘要碳化硅陶瓷不仅具有抗氧化性强，耐磨性好，硬度高，热稳定性好，热膨胀系数小，等优良特性，而且广泛的应用也多个领域中。

碳化硅是一种典型共价键结合化合物，具有高硬度、耐磨等特性，广泛应用于航空、机械、汽车、冶金、化工、电子等领域。

本文主要是对碳化硅陶瓷的性能，市场前景，应用范围进行讨论，并讨论起发展趋势。

关键词：碳化硅性能高硬度耐磨性一．碳化硅的基本结构及其性质1.1碳化硅结构碳化硅是一种典型的共价键结合的稳定化合物。

从理论上讲,碳化硅均由SiC四面体堆积而成,所不同的只是平行结合或反平行结合。

SiC有75种变体,如α- SiC、β- SiC、3C - Si C、4H - SiC、15R- Si C 等,所有这些结构可分为方晶系、六方晶系和菱形晶系,其中α- SiC、β- SiC 最为常见。

α- SiC是高温稳定型,β- SiC是低温稳定型。

β- SiC在2100～2400 ℃可转变为α- SiC ,β- SiC可在1450 ℃左右温度下由简单的硅和碳混合物制得。

利用透射电子显微镜和X- 射线衍射检测技术可对SiC 显微体进行多型体分析和定量测定。

为了区别各种不同的结构,需要有相应的命名方法。

命名方法常用的是:把低温类型的立方碳化硅叫做β—SiC,而其余六方的、菱形的晶胞结构一律称为α—SiC。

这种命名方法与相律惯例以及矿物学命名都不相符,但因其很方便,也就颇为流行。

1.2碳化硅化学性质碳化硅本身很容易氧化,但它氧化之后形成了一层二氧化硅薄膜,氧化进程逐步被阻碍。

在空气中,碳化硅于800 ℃时就开始氧化,但很缓慢;随着温度升高,则氧化速度急速加快。

碳化硅的氧化速率,在氧气中比在空气中快1. 6倍;氧化速率的速度随着时间推移而减慢。

如果以时间推移对氧化的数量描图,可以得到典型的抛物线图形. 这反映出二氧化硅保护层对碳化硅氧化速率的阻碍作用。

氧化时,若同时存在着能将二氧化硅薄膜移去或使之破裂的物质,则碳化硅就易被进一步氧化。

例如:铁、锰等金属有几种化合价,其氧化物能将碳化硅氧化,并且又能与二氧化硅生成低熔点化合物,能侵蚀碳化硅。

例如,FeO在1300 ℃、MnO 在1360 ℃能侵蚀碳化硅;而CaO、MgO 在1000 ℃就能侵蚀碳化硅[1]。

二．碳化硅的特点及其性能2.1磨料由于其超硬性能,可制备成各种磨削用的砂轮、砂布、砂纸以及各类磨料,广泛应用于机械加工行业。

我国工业碳化硅主要作磨料用,黑色碳化硅制成的磨具,多用于切割和研磨抗张强度低的材料,如玻璃、陶瓷、石料和耐火物等,同时也用于铸铁零件和有色金属材料的磨削。

绿色碳化硅制成的磨具,多用于硬质合金、钛合金、光学玻璃的磨削,同时也用于缸套的珩磨及高速钢刀具的精磨。

立方碳化硅专用于微型轴承的超精磨,采用W3. 5立方碳化硅微粉制成的油石对轴承(材料ZGCrl5) 超精磨,其光洁度可由ý9直接磨成ý12以上,因此,在相同粒度的其他磨料中,立方碳化硅其加工效率为最高。

2.2耐火材料[2]国外将碳化硅用作耐火材料的数量大于用作磨料。

我国亦在不断扩大这方面的应用,根据国外厂商的习惯,耐火材料黑色碳化硅通常分为3 种牌号: ①高级耐火材料黑碳化硅。

这种牌号的化学成分要求与磨料用黑色碳化硅完全相同,主要用以制造高级碳化硅制品,如重结晶碳化硅制品、燃气轮机构件、喷嘴、氮化硅结合碳化硅制件、高炉高温区衬材、高温窑炉构件、高温窑装窑支承件、耐火匣钵等。

②二级耐火材料黑色碳化硅,含碳化硅大于90 %。

主要用以制造耐中等高温的窑炉构件,如马弗炉炉衬材料等。

这些构件除利用碳化硅的耐热性、导热性外,在很多场合还兼用它的化学稳定性。

③低品位耐火材料黑色碳化硅,其碳化硅含量要求大于83 % ,主要用于出铁槽、铁水包,炼锌业和海绵铁制造业等的内衬。

2.3 脱氧剂炼钢时通常要使用硅铁脱氧,近代发展了用碳化硅代替硅铁作脱氧剂,炼出的钢质量更好,更经济。

因为用碳化硅脱氧时,成渣少而且很快,有效地减少了渣中某些有用元素的含量,炼钢时间短而成分更好控制。

脱氧剂黑色碳化硅在美国和日本等国家的钢铁工业中用得很普遍。

磨料用或耐火材料用碳化硅在炉中所生成的适合于作脱氧剂的物料,都能全部销售应用于生产而无须回炉,产品综合利用率高,碳化硅生产的经济效果极佳。

2.4 耐磨及高温件利用碳化硅陶瓷的高硬、耐磨损、耐酸碱腐蚀性,在机械工业、化学工业中用来制备新一代的机械密封材料,滑动轴承、耐腐蚀的管道、阀片和风机叶片。

尤其是作为机械密封材料已被国际上确认为自金属、氧化铝、硬质合金以来第四代基本材料,它的抗酸、抗碱性能与其它材料相比是极为优秀的,几乎没有一种材料可与之相比。

利用碳化硅陶瓷的高热导性能,用于冶金工业窑炉中的高温热交换器等,使用温度可达1300 ℃;用碳化硅砂辊磨米,较之用其他砂辊可提高大米的质量,出米率提高1 %～2 %,成本下降30 %～40 %。

用电镀方法将碳化硅微粉涂敷于水轮机叶轮上,可以大大提高叶轮的耐磨性能,延长其检修周期[3]。

用机械压力将立方碳化硅磨粉与W28 微粉压入内燃机的汽缸壁上,可延长缸体使用寿命达1倍以上。

使用碳化硅与硼砂的混合物对45#钢收割机刀片进行表面渗硼化学热处理,可使其渗硼层的硬度达到克氏显微硬度1 800～2 000 .P•2 ,从而使其使用寿命延长数倍。

用碳化硅制成的托辊,早巳成功地应用于轧钢机上,它比金属托辊有更好的耐热性与耐磨性,并能改善所轧钢材的质量。

用碳化硅材料制成的砂泵及水力旋流器,具有很好的耐磨性能;用碳化硅材料制成的缸套等耐磨件可广泛用于石油和化工等行业机械;还可作为高温热机械用材料。

碳化硅由于具有良好的高温特性,如高温抗氧化、高温强度高、蠕变性小、热传导性好以及密度低,被首选为热机械的耐高温部件,诸如:作高温燃汽轮机的燃烧室、涡轮的静叶片、高温喷嘴等[4]。

用碳化硅制成活塞与气缸套用于无润滑油无冷却的柴油机上,可减少摩擦30 %～50 % ,噪声明显降低。

2.5 军事方面用碳化硅陶瓷与其他材料一起组成的燃烧室及喷嘴,已用于火箭技术中。

碳化硅基复合材料制备的阿丽亚娜火箭尾喷管已成功应用。

碳化硅密度居中,比Al2O3 轻20 %,硬度和弹性模量较高,价格比B4C低得多,还可用于装甲车辆和飞机机腹及防弹防刺衣等。

碳化硅材料还具有自润滑性及摩擦系数小,约为硬质合金的一半。

它的抗热震性好、弹性模量高等特点在一些特殊地方获应用,如用来制成高功率的激光反射镜其性能优于铜质,由于密度低、刚性好、变形小,CVD与反应烧结的碳化硅轻量化反射镜已经在空间技术中大量使用。

2.6 电气和电工利用碳化硅陶瓷的高热导性能,绝缘性好作为大规模集成电路的基片和封装材料。

碳化硅发热体是一种常用的加热元件,由于它具有操作简单方便,使用寿命长,使用范围广等优点,成为发热材料中最经久耐用且价廉物美的一种,使用温度可达1 600 ℃。

碳化硅还可用于做避雷器的阀体和远红外线发生器等[5]。

三．研究与发展前景结构陶瓷是主要发挥材料机械，热，化学，等效能的一类先进陶瓷，又称工程陶瓷。

结构陶瓷具有耐高温，耐磨损，耐腐蚀，抗氧化，高温下蠕变小等性能，可以承受金属材料和高分子材料难以胜任的严酷工作环境，广泛应用于航空、机械、汽车、冶金、化工、电子等领域，成为发展极为迅速的一类陶瓷材料。

结构陶瓷主要有氧化物陶瓷、氮化物陶瓷和碳化物陶瓷等。

下面主要介绍碳化硅陶瓷。

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，自然界几乎不存在。

1890年Eword和G.Aches o在碳中加硅作为催化剂想合成金刚石时，制备了碳化硅。

知道今天，它还在继续得到研究与发展。

碳化硅最初应用是由于其超硬性能，可制备成各种磨削用的砂轮、砂布、砂纸以及各类磨料，而广泛地用于机械加工行业。

第二次世界大战中又发现它还可以作为炼钢时的还原剂以及加热元件，从而促使它快速发展。

随着人们研究的深入，又发现它还有许多优良性能，诸如，它的高温稳定性、高热传导性、耐酸碱腐蚀性、低膨胀系数、抗热震性好等。

碳化硅主要有两种结晶形态，即：立方晶系的β-SIC4和六方晶系的α-SIC。

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机构。

由于四面体堆积次序的不同可形成不同的结构，至今已发现几百种变体。

一般采用简明直观的符号，即字母C、H、R来表示其晶格类型，并用单位晶胞中所含的层数以示区别。

虽然这些多形体的晶格常数各不相同，但它体内的物质无明显变化。

SIC是一种典型的供价化合物，但也有部分离子型。

由理论计算，SI-C键总能量的78%属于共价态，而22%属于离子态。

由于S和C原子较小，键长短，共价性强，这就决定了碳化硅的高硬度、一定的机械强度和难于烧结等一系列特点[6]。

碳化硅是一种典型的共价键结合的稳定化合物，加上它的扩散系数低，很难用常规的烧结方法来致密化，必须通过添加一些烧结助剂以讲的表面能或增加表面积以及采用特殊工艺来获得致密的碳化硅陶瓷。

按烧工艺划分，碳化硅可以划分为重结晶碳化硅陶瓷、反应烧结碳化硅陶瓷、无压烧结碳化硅陶瓷、热压烧结碳化硅陶瓷、高温热等静压烧结碳化硅陶瓷以及化学气相沉积碳化硅。

各种工艺制备的碳化硅性能有较大的差别，即使用同一工艺制备的SIC，由于采用的原料和添加剂不同，其性能差较大。

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。

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。

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。

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。

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[7]。