碳化硅陶瓷的制備及應用簡介

發布時間 | 2017-03-31 09:53 分類 | 粉體加工技術點擊量 | 6322

磨料金剛石碳化硅氧化硅

導讀：碳化硅材料由于其化學性能穩定、導熱系數高、熱膨脹系數小、密度小、耐磨性能好、硬度大、機械強度高、耐化學腐蝕等特點，在材料領域迅速發展起來。

21世紀隨著科學技術的進步，當今社會生產力的發展集中在信息、能源、材料、生物工程等幾個方面。碳化硅材料由于其化學性能穩定、導熱系數高、熱膨脹系數小、密度小、耐磨性能好、硬度大、機械強度高、耐化學腐蝕等特點，在材料領域迅速發展起來。

碳化硅陶瓷起始于20世紀60年代，之前碳化硅主要用于機械磨削材料和耐火材料。但隨著先進陶瓷的發展，人們已經不滿足于制備傳統碳化硅陶瓷，近幾年，各類以碳化硅陶瓷為基的復相陶瓷相繼出現，改善了單相材料的各方面性能，使得碳化硅陶瓷得到了更加廣泛地應用。碳化硅陶瓷材料密度低、硬度高、耐高溫、熱膨脹系數小、耐腐蝕，現普遍用于陶瓷球軸承、閥門、半導體材料、測量儀、航空航天等領域。

1.碳化硅的性質

碳化硅是一種人造材料，分子式為SiC，隕石及地殼上偶然存在碳化硅。碳化硅分子量為40.07，密度為3.16～3.2g/cm³。SiC具有α和β兩種晶型，當溫度低于1600℃時，SiC以β-SiC形式存在，當高于1600℃時，β-SiC轉變為α-SiC的形式。碳化硅以共價鍵為主，共價鍵約占88%。晶格的基本結構是互相穿插的SiC₄和CSi₄四面體。由于四面體堆積次序的不同形成不同的結構，至今已發現幾百種變體，常見的結構如3C-SiC、4H-SiC、6H-SiC等，堆積規律如圖所示。

圖1 常見碳化硅多型體的原子排列圖[1]

碳化硅的化學穩定性與其氧化特性有密切關系，碳化硅本身很容易氧化，但它氧化之后形成了一層二氧化硅薄膜，氧化進程逐步被阻礙。在空氣中，碳化硅于800℃時就開始氧化，但很緩慢；隨著溫度升高，則氧化速度急速加快。碳化硅的氧化速率，在氧氣中比在空氣中快1.6倍；氧化速率的速度隨著時間推移而減慢。

純碳化硅是無色透明的結晶，工業碳化硅有無色、淡黃色、淺綠色、深綠色、淺藍色、深藍色及黑色，透明程度歲顏色加深依次降低。磨料行業把碳化硅按色澤分為黑色碳化硅和綠色碳化硅兩類。其中無色至深綠色歸入綠色碳化硅類，淺藍色至黑色歸入黑色碳化硅類。黑色和綠色這兩種碳化硅機械性能略有不同，綠色碳化硅較脆，制成的磨具富于自銳性；黑碳化硅較韌，因此這兩種碳化硅用途也有所不同。

2.碳化硅陶瓷的制備

（一）超細碳化硅粉體的制備

近年來，在高新技術領域發展起來的超細碳化硅粉體制備的方法，主要歸為三種：固相法、液相法和氣相法。

固相法主要包括以下幾種：碳熱還原法、Si與C直接反應法（包括高溫自蔓延合成法和機械合金化法）。

液相法主要包括以下幾種：溶膠—凝膠法、聚合物熱分解法和溶劑熱法。

氣相法主要包括以下幾種：氣相反應沉積法（CVD）、等離子體法、激光誘導氣相法。

圖2 碳熱還原法生成的碳化硅粉體掃描圖[2]

（二）碳化硅陶瓷的制備

碳化硅是一種典型的共價鍵結合的穩定化合物，加上其擴散系數低，很難用常規的燒結方法來實現致密化，必須通過添加一些燒結助劑來降低表面能或增加外界壓力來達到燒結。

a.反應燒結碳化硅陶瓷

這種方法是以α-SiC和C為原料，加入適量的粘結劑進行成型和千燥處理，然后放入含有Si的埋料中。當坯體在爐內受熱超過1400℃時，坯體周圍的Si熔融，或以液態，或以氣態透入到坯體的毛細管中，同坯體中的C反應生成SiC。產生的SiC逐漸填充坯體中的孔隙，并把原有的α-SiC連結起來，最后達到制品的致密化，并獲得強度。

b.熱壓燒結碳化硅陶瓷

熱壓燒結即在燒結過程中施加一定的壓力，壓力的存在使原子擴散速率增大，燒結驅動力增加，從而加快燒結過程。然而，在高壓條件下，燒結體中會出現垂直于壓力方向定向生長的晶粒，為避免這種現象，可以選用熱等靜壓燒結的方法。

c.無壓燒結碳化硅陶瓷

無壓燒結被認為是SiC燒結最有前途的燒結方法，通過無壓燒結工藝可以制備出復雜形狀和大尺寸的SiC部件。根據燒結機理的不同，無壓燒結又可分為固相燒結和液相燒結。

表1 固相燒結和液相燒結的區別[3]