型陶瓷-碳化硅陶瓷制備技術(shù)及應(yīng)用__論

1、.新型功能材料專 業(yè) 化學(xué)類 班 級(jí) 應(yīng)化1101 學(xué) 生 郭 珊 學(xué) 號(hào) 20110222056 小組成員 丁超凡 付文靜 韓丹丹 韓雙 任課教師 李村成 平時(shí)成績(jī) 論文成績(jī) 課程成績(jī) 課程論文要求結(jié)合自己學(xué)習(xí)興趣，通過(guò)小組調(diào)研，查閱相關(guān)資料，撰寫一篇與新型功能材料有關(guān)的課程論文。論文要求：1.論文題目科學(xué)規(guī)范，調(diào)研方向具體明確、題目不能過(guò)大；2.字?jǐn)?shù)要在5000字左右（不計(jì)參考文獻(xiàn)）；3.論文撰寫要使用自己的語(yǔ)言，要有自己見解及評(píng)論，不能拷貝、翻譯；4.文字簡(jiǎn)練，層次分明，邏輯性強(qiáng)，條理清晰，引用數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、真實(shí)、可靠，結(jié)論明確；5.文中涉及的圖表需自己畫；6.引用的參考文獻(xiàn)需在文中用數(shù)字標(biāo)

2、出并在文后列出; 7. 量和單位必須采用中華人民共和國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB3100GB3102-93；8. 字體及格式統(tǒng)一要求：論文標(biāo)題用居中加粗宋體三號(hào)字；小標(biāo)題用加粗宋體小四號(hào)字；圖表說(shuō)明用居中宋體五號(hào)字；正文及引用文獻(xiàn)用宋體小四號(hào)字（英文和數(shù)字用Times New Roman）； 1.25倍行距，A4紙，上、下、左、右頁(yè)邊距均為2.5 cm；9. 提交論文雙面打印。本課程成績(jī)?cè)u(píng)定說(shuō)明：該課程總成績(jī)由平時(shí)成績(jī)與課程論文成績(jī)兩部分組成，其中平時(shí)考勤、課堂表現(xiàn)、課堂報(bào)告等成績(jī)占總成績(jī)50%；課程論文成績(jī)占總成績(jī)的50 %。平時(shí)成績(jī)與課程論文成績(jī)均按滿分100分評(píng)定。論文格式（15分）條理及邏輯性（1

3、5分）語(yǔ) 言（10分）論文內(nèi)容（60分）課程論文總成績(jī)新型陶瓷-碳化硅陶瓷制備技術(shù)及應(yīng)用摘要：闡述了碳化硅陶瓷的制備技術(shù)及應(yīng)用，介紹了SiC粉末的合成方法（如Acheson法、化合法、熱分解法、氣相反相法）、SiC的燒結(jié)方法（如無(wú)壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)、反應(yīng)燒結(jié)）、反應(yīng)燒結(jié)碳化硅的成型工藝（如模壓成型、等靜壓成型、注漿成型）以及碳化硅陶瓷在各個(gè)方面的廣泛應(yīng)用，并展望了碳化硅陶瓷的發(fā)展應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：新型陶瓷；碳化硅陶瓷；SiC粉末合成；SiC燒結(jié)；成型工藝一、引言傳統(tǒng)陶瓷是用天然或人工合成的粉狀化合物，經(jīng)過(guò)成型和高溫?zé)Y(jié)制成的，由無(wú)機(jī)化合物構(gòu)成的多相固體材料。新型陶瓷以精致的高純天然

4、無(wú)機(jī)物或人工合成的無(wú)機(jī)化合物為原料，采用精密控制的加工工藝燒結(jié)，具有優(yōu)異的性能。在各個(gè)方面，新型陶瓷和傳統(tǒng)陶瓷有諸多的不同之處。在原料使用上方面，新型陶瓷突破傳統(tǒng)陶瓷以黏土為主，使用精選或提純的氧化物、硅化物、氮化物、硼化物等原料。成分方面，傳統(tǒng)陶瓷的組成與黏土的成分相關(guān)，不同產(chǎn)地料對(duì)產(chǎn)品組成與結(jié)構(gòu)影響很大；新型陶瓷原料是提純化合物，性質(zhì)由原料的純度和制備工藝決定，與產(chǎn)地原料無(wú)關(guān)。在制備工藝方面，傳統(tǒng)陶瓷以窯爐為主；新型陶瓷用真空燒結(jié)、氣氛燒結(jié)、熱壓、熱靜壓等手段實(shí)現(xiàn)。在性能與用途方面，傳統(tǒng)陶瓷體現(xiàn)日常應(yīng)用；新型陶瓷具有高強(qiáng)度、高硬度、耐磨、耐蝕、感應(yīng)性等特殊性能、使用在特殊場(chǎng)合,在高溫,機(jī)械

5、電子計(jì)算機(jī)航天醫(yī)學(xué)工程廣泛應(yīng)用。依據(jù)材料功能，新型陶瓷分類如表一：表一 新型陶瓷分類二、碳化硅陶瓷概述碳化硅陶瓷材料具有高溫強(qiáng)度大， 高溫抗氧化性強(qiáng)、耐磨損性能好 ，熱穩(wěn)定性佳 ，熱膨脹系數(shù)小， 熱導(dǎo)率大， 硬度高 ，抗熱震和耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)良特性，在汽車、機(jī)械化工、環(huán)境保護(hù)、 空間技術(shù)、 信息電子 、能源等領(lǐng)域有著日益廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)成為一種在很多工業(yè)領(lǐng)域性能優(yōu)異的其他材料不可替代的結(jié)構(gòu)陶瓷。三、SiC粉末的合成原料粉體性能對(duì)陶瓷的成型燒結(jié)和顯微結(jié)構(gòu)有很大影響，進(jìn)而對(duì)陶瓷性能產(chǎn)生決定性的作用。新型陶瓷與傳統(tǒng)陶瓷的最大區(qū)別之一就是它對(duì)原料粉體的純度、細(xì)度、顆粒分布、晶形、反應(yīng)活性，團(tuán)聚性等都提出

6、了更高的要求。SiC在地球上幾乎不存在，僅在隕石中有所發(fā)現(xiàn)。因此，工業(yè)上應(yīng)用的SiC粉末都為人工合成。目前，合成SiC粉末的主要方法有：1、Acheson法：這是工業(yè)上采用最多的合成方法，即用電將石英砂和焦炭的混合物加熱至2500左右高溫反應(yīng)制得。因石英砂和焦炭中通常含有Al和Fe等雜質(zhì)，在制成的SiC中都固溶有少量雜質(zhì)。其中，雜質(zhì)少的呈綠色，雜質(zhì)多的呈黑色。 2、化合法：在一定的溫度下，使高純的硅與碳黑直接發(fā)生反應(yīng)。由此可合成高純度的SiC粉末。 3、熱分解法：使聚碳硅烷或三氯甲基硅等有機(jī)硅聚合物在12001500的溫度范圍內(nèi)發(fā)生分解反應(yīng)，由此制得亞微米級(jí)的SiC粉末。 4、氣相反相法：使S

7、iCl4和SiH4等含硅的氣體以及CH4、C3H8、等含碳的氣體在高溫下發(fā)生反應(yīng)，由此制備納米級(jí)的SiC超細(xì)粉。 四、SiC的燒結(jié)由于碳化硅陶瓷的高性能和在工業(yè)領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，SiC的燒結(jié)一直是材料界研究的熱點(diǎn)，如何采用較簡(jiǎn)單的生產(chǎn)工藝在較低的溫度下制備得到高致密度的碳化硅陶瓷制品也是研究者一直關(guān)心的課題；但由于碳化硅是一種共價(jià)性極強(qiáng)的共價(jià)鍵化合物，所以 SiC 很難燒結(jié)，必須借助燒結(jié)助劑或外部壓力才可能在 2000以下實(shí)現(xiàn)致密化。有研究在2050和 SiC+1%B4C+ 3%C體系熱壓保溫45分鐘工藝條件下，密度達(dá)到理論致密度的98.75% 。由于熱壓工藝自身的缺點(diǎn)而無(wú)法應(yīng)用在商業(yè)化生產(chǎn)中

8、，因此無(wú)壓燒結(jié)成了高性能碳化硅陶瓷工業(yè)化首選的制備方法。圖一 碳化硅燒結(jié)反應(yīng)工藝流程圖1、無(wú)壓燒結(jié)：1974年美國(guó)GE公司通過(guò)在高純度SiC細(xì)粉中同時(shí)加入少量的B和C，采用無(wú)壓燒結(jié)工藝，于2020成功地獲得高密度SiC陶瓷。目前，該工藝已成為制備SiC陶瓷的主要方法。 最近，有研究者在亞微米SiC粉料中加入Al2O3和Y2O3，在18502000溫度下實(shí)現(xiàn)SiC的致密燒結(jié)。由于燒結(jié)溫度低而具有明顯細(xì)化的微觀結(jié)構(gòu)，因而，其強(qiáng)度和韌性大大改善。 2、熱壓燒結(jié)：50年代中期，美國(guó)Norton公司就開始研究B、Ni、Cr、Fe、Al等金屬添加物對(duì)SiC熱壓燒結(jié)的影響。實(shí)驗(yàn)表明：Al和Fe是促進(jìn)SiC熱

9、壓致密化的最有效的添加劑。 有研究者以Al2O3為添加劑，通過(guò)熱壓燒結(jié)工藝，也實(shí)現(xiàn)了SiC的致密化，并認(rèn)為其機(jī)理是液相燒結(jié)。此外，還有研究者分別以B4C、B或B與C，Al2O3和C、Al2O3和Y2O3、Be、B4C與C作添加劑，采用熱壓燒結(jié)，也都獲得了致密SiC陶瓷。3、熱等靜壓燒結(jié)：近年來(lái)，為進(jìn)一步提高SiC陶瓷的力學(xué)性能，研究人員進(jìn)行了SiC陶瓷的熱等靜壓工藝的研究工作。研究人員以B和C為添加劑，采用熱等靜壓燒結(jié)工藝，在1900便獲得高密度SiC燒結(jié)體。更進(jìn)一步，通過(guò)該工藝，在2000和138MPa壓力下，成功實(shí)現(xiàn)無(wú)添加劑SiC陶瓷的致密燒結(jié)。 研究表明：當(dāng)SiC粉末的粒徑小于06m時(shí)，

10、即使不引入任何添加劑，通過(guò)熱等靜壓燒結(jié)，在1950即可使其致密化。4、反應(yīng)燒結(jié)：SiC的反應(yīng)燒結(jié)法最早在美國(guó)研究成功。反應(yīng)燒結(jié)的工藝過(guò)程為：先將SiC粉和石墨粉按比例混勻，經(jīng)干壓、擠壓或注漿等方法制成多孔坯體。在高溫下與液態(tài)Si接觸，坯體中的C與滲入的Si反應(yīng)，生成SiC，并與SiC相結(jié)合，過(guò)量的Si填充于氣孔，從而得到無(wú)孔致密的反應(yīng)燒結(jié)體。反應(yīng)燒結(jié)SiC通常含有8的游離Si。因此，為保證滲Si的完全，素坯應(yīng)具有足夠的孔隙度。一般通過(guò)調(diào)整最初混合料中SiC和C的含量，SiC的粒度級(jí)配，C的形狀和粒度以及成型壓力等手段來(lái)獲得適當(dāng)?shù)乃嘏髅芏?。?shí)驗(yàn)表明，采用無(wú)壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)和反應(yīng)燒結(jié)

11、的SiC陶瓷具有各異的性能特點(diǎn)。假如就燒結(jié)密度和抗彎強(qiáng)度來(lái)說(shuō)，熱壓燒結(jié)和熱等靜壓燒結(jié)SiC陶瓷相對(duì)較高，反應(yīng)燒結(jié)SiC相對(duì)較低。另一方面，SiC陶瓷的力學(xué)性能還隨燒結(jié)添加劑的不同而不同。無(wú)壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)和反應(yīng)燒結(jié)SiC陶瓷對(duì)強(qiáng)酸、強(qiáng)堿具有良好的抵抗力，但反應(yīng)燒結(jié)SiC陶瓷對(duì)HF等超強(qiáng)酸的抗蝕性較差。就耐高溫性能比較來(lái)看，當(dāng)溫度低于900時(shí)，幾乎所有SiC陶瓷強(qiáng)度均有所提高；當(dāng)溫度超過(guò)1400時(shí)，反應(yīng)燒結(jié)SiC陶瓷抗彎強(qiáng)度急劇下降。（這是由于燒結(jié)體中含有一定量的游離Si，當(dāng)超過(guò)一定溫度抗彎強(qiáng)度急劇下降所致）對(duì)于無(wú)壓燒結(jié)和熱等靜壓燒結(jié)的SiC陶瓷，其耐高溫性能主要受添加劑種類的影響。五、反應(yīng)燒結(jié)

12、碳化硅的成型工藝1、模壓成型(Stamping Process) 將一定量的粉料填充模具內(nèi)，在一定載荷下壓制成型。該成型由于載荷為單向的，也稱為單向壓制成型。在成型過(guò)程中，由于模具填充的不均勻和壓制過(guò)程本身造成坯體內(nèi)密度存在變化。由于干壓成形的坯料水分少，壓力大，坯體比較致密，因此能獲得收縮小，形狀準(zhǔn)確，無(wú)需大力干燥的生坯。干壓成形過(guò)程簡(jiǎn)單，生產(chǎn)量大，缺陷少，便于機(jī)械化，因此對(duì)于成型形狀簡(jiǎn)單、小型的坯體頗為合適。但對(duì)于形狀復(fù)雜、大型的制品采用一般的干壓成形就有困難。在此基礎(chǔ)上，有人提出了雙向加壓、振動(dòng)壓制和磁場(chǎng)壓制 。（圖二）圖二 手動(dòng)壓制（圓鋼模）2、等靜壓成型(Isostatic Pres

13、sing)等靜壓成型是將待壓試樣置于高壓容器中，利用液體、氣體、橡膠等介質(zhì)不可壓縮的性質(zhì)和均勻傳遞壓力的性質(zhì)從各個(gè)方向?qū)υ嚇舆M(jìn)行均勻加壓，當(dāng)液體介質(zhì)通過(guò)壓力泵注入壓力容器時(shí)，根據(jù)流體力學(xué)原理，其壓強(qiáng)大小不變且均勻地傳遞到各個(gè)方向。此時(shí)高壓容器中的粉料在各個(gè)方向上受到的壓力是均勻的和大小一致的。通過(guò)上述方法使瘠性粉料成型致密坯體的方法稱為等靜壓法。優(yōu)點(diǎn)是粉料與模具壁的摩擦力小，坯體受力均勻，密度分布均一。（圖三）圖三 等靜壓成形系統(tǒng)構(gòu)造圖3、注漿成型（Slip Casting）SiC工藝?yán)檬嗄＞叩奈裕瑢⒅频玫奶沾蓾{料注入多孔質(zhì)模具，由模具的氣孔把漿料中的液體吸出，而在模具中留下坯體。注漿

14、成型工藝成本低，過(guò)程簡(jiǎn)單，易于操作和控制，但成型形狀粗糙，注漿時(shí)間較長(zhǎng)，坯體密度、強(qiáng)度也不高。人們?cè)趥鹘y(tǒng)注漿成型的基礎(chǔ)上，相繼發(fā)展產(chǎn)生了新的壓濾成型(Pressure Filtration)和離心注漿成型(Centrifugal Casting)，借助于外加壓力和離心力的作用，來(lái)提高素坯的密度和強(qiáng)度，避免了注射成型中復(fù)雜的脫脂過(guò)程，但由于坯體均勻性差，因而不能滿足制備高性能高可靠性陶瓷材料的要求。（圖四）圖四 空心注漿花瓶過(guò)程示意圖六、碳化硅陶瓷的應(yīng)用由于碳化硅陶瓷所具有的高硬度、高耐腐蝕性以及較高的高溫強(qiáng)度，使得碳化硅陶瓷得到了廣泛的應(yīng)用。主要有以下幾個(gè)方面：密封環(huán)：碳化硅陶瓷的耐化學(xué)腐蝕性

15、好、強(qiáng)度高、硬度高，耐磨性能好、摩擦系數(shù)小，且耐高溫，因而是制造密封環(huán)的理想材料。它與石墨材料組合配對(duì)時(shí)，其摩擦系數(shù)比氧化鋁陶瓷和硬質(zhì)合金小，因而可用于高PV值，特別是輸送強(qiáng)酸、強(qiáng)堿的工況中使用。研磨介質(zhì)：碳化硅陶瓷由于其高硬度的特點(diǎn)而廣泛用于耐磨機(jī)械零件中，特別是球磨機(jī)中的研磨介質(zhì)（磨介）。球磨機(jī)中所用的磨介對(duì)研磨效率有著重要的影響，其基本要求是硬度高、韌性好，以保證研磨效率高、摻雜少的要求。防彈板：碳化硅陶瓷由于硬度高、比重小、彈道性能較好、價(jià)格較低，而廣泛用于防彈裝甲中，如車輛、艦船的防護(hù)以及民用保險(xiǎn)柜、運(yùn)鈔車的防護(hù)中。碳化硅陶瓷的彈道性能優(yōu)于氧化鋁陶瓷，約為碳化硼陶瓷的70-80%，但由于價(jià)格較低，特別適合用于用量大，且防護(hù)裝甲不能過(guò)厚、過(guò)重的場(chǎng)合。噴嘴：作噴嘴的陶瓷材料有多種，常用的是氧化鋁、碳化硅和碳化硼陶瓷等。氧化鋁陶瓷噴嘴的價(jià)格低，但由于硬度低，其耐磨性較差，多用于噴砂工作量不大的場(chǎng)合。碳化硅陶瓷的使用壽命是氧化鋁陶瓷的倍，與硬質(zhì)合金相當(dāng)，多用于硬質(zhì)合金的替代品，特別是在手持噴槍的工況中使用。 磁力泵泵件：隨著工業(yè)化的發(fā)展，特別是ISO14000國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的貫徹執(zhí)行，對(duì)不利于環(huán)境保護(hù)液體的輸運(yùn)提出了更高的要求。磁力泵由于采用靜密封代替機(jī)械密封、填料密封等動(dòng)密封，因而泄漏更小、可靠性更高、使用壽命更長(zhǎng)。高溫耐蝕部件：碳化硅陶瓷最重要的特性之一是它的高溫強(qiáng)度