碳化硅陶瓷的性能及應用

     隨著科學技術的發展，信息、能源、材料、生物工程已經成為當今社會生產力發展的四大支柱，而碳化硅由于化學性能穩定、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，在材料領域發展迅速，普遍用于陶瓷球軸承、閥門、半導體材料、陀螺、測量儀、航空航天等領域。

     碳化硅陶瓷是從20世紀60年代開始發展起來的，之前碳化硅主要用于機械磨削材料和耐火材料。世界各國對先進陶瓷的產業化十分重視，現在已經不僅僅滿足于制備傳統碳化硅陶瓷，生產高技術陶瓷的企業發展更快，尤其是在發達國家。近幾年以碳化硅陶瓷為基的復相陶瓷相繼出現，改善了單體材料的韌性和強度。

     碳化硅是一種人造材料，只是在人工合成碳化硅之后，才證實隕石中及地殼上偶然存在碳化硅。碳化硅粉體的制備方法較多，有最古老的阿奇遜合成法(Acheson)，也有近十幾年發展起來的激光法和有機前驅體法，以下介紹的是典型的Acheson碳化硅合成方法。

     該方法是采用碳熱還原過程將SiO2與C反應生成SiC。

     二氧化硅原料可選用熔融石英砂或破碎過的石英巖，碳可用石墨、石油焦或無灰無煙煤制取，加入NaCl和木屑作為添加劑，一般在2000~2400℃的電弧爐中反應合成。

    采用該方法生產的也可稱為高溫法碳化硅，它的相為α-SiC。用此方法生產的碳化硅如果要用到陶瓷生產中，還需經過粉碎與提純處理，達到所需的純度與粒度后方能使用。

     碳比硅與現在使用廣泛的金屬材料相比，具有以下優點∶

     （1)機械強度高，剛任好

     機械強度高可以有效防止材料變形，這點至關重要。碳化硅的機械強度高于剛玉。例如，碳化硅的抗壓強度224MPa，剛玉僅為75.7MPa;碳化硅的抗彎強度為15.5MPa，而剛玉則為8.72MPa。

     （2)硬度大，耐磨損

     碳化硅的硬度相當高，按莫氏刻痕硬度為9.2~9.6，僅次于金剛石和碳化硼，高于剛玉而名列普通磨抖的前茅。與金屬鋼制材料相比，它不僅硬度高，而且在無潤滑狀態下摩擦系數小，摩擦力相對較小，表面粗糙度小，具有良好的耐磨性。此外，它對外界物質的沖擊抵抗能力強，提高了表面的承受能力。

     （3)密度小

     碳化硅材料的密度比金屬小，因而造出的設備更加輕巧。

     （4)耐高溫，熱膨脹系數小

碳化硅是在高溫下制成的。在某些高溫環境下，要求材料既要有一定的加工強度，又要滿足加工精度，碳化硅陶瓷能達到這兩點。碳化硅的最高使用溫度為800℃左右，而鋼的承受溫度僅為250℃。粗略計算，碳化硅的平均熱膨脹系數在25~1400℃范圍內為4.4×10-6/℃。碳化硅的熱膨脹系數測定結果表明，其量值與其他磨料及高溫材料相比要小得多，如剛玉的熱膨脹系數可高達(7~8)× 10-6/℃。

     （5)導熱系數高

     碳化硅的導熱系數很高，這是碳化硅物理性能方面的另一個重要特點。碳化硅的導熱系數比其他耐火材料及磨料要大得多，約為剛玉導熱系數的4倍。碳化硅所具有的低熱膨脹系數和高導熱系數，使其制件在加熱及冷卻過程中受到的熱應力較小，這就是為什么碳化硅制件特別耐熱震的原因。

     （6)耐腐蝕

     因為碳化硅具有高熔點(分解溫度)、化學惰性和抗熱震性，所以碳化硅能用于磨具、陶瓷制品燒成窯爐中用的棚板和匣缽、煉鋅工業豎缸蒸餾爐用的碳化硅磚、鋁電解槽襯、坩堝、小件爐材等多種碳化硅陶瓷制品。

     由于陶瓷材料固有脆性，因此碳化硅材料的增韌研究受到了廣泛的重視。采用連續及其織物和編織體增韌，不僅可提高陶瓷材料的韌性，而且可不同程度地提高材料的強度和模量。

     碳化硅在現代的工業中起著不可或缺的作用。

     碳化硅陶瓷是制造密封環的理想材料，它與石墨材料組合配對時，其摩擦系數比氧化鋁陶瓷和硬質合金小，具有良好的自潤滑性能，因而可用于高PV值，使密封件的使用壽命及工作的可靠性提高，特別是在輸送強酸、強堿的工況中使用。

     碳化硅陶瓷還廣泛用于防彈裝甲中，如車輛、艦船的防護以及民用保險柜、運鈔車的防護中。碳化硅陶瓷的彈道性能優于氧化鋁陶瓷，約為碳化硼陶瓷的70% ~ 80%，但由于價格較低，特別適合于用量大且防護裝甲不能過厚、過重的場合。

     用作噴嘴的陶瓷材料也有多種，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格低，但由于硬度低、耐磨性較差，多用于噴砂工作量不大的場合。碳化硅陶瓷的使用壽命是氧化鋁陶瓷的3 ~ 5倍，與硬質合金相當，多用于硬質合金的替代品，特別是在手持噴槍的工況中使用。

     隨著工業化的發展，特別是ISO 14000國際標準的貫徹執行，對不利于環境保護液體的輸運提出了更高的要求。磁力泵由于采用靜密封代替機械密封、填料密封等動密封，因而泄漏更小、可靠性更高、使用壽命更長。對于磁力泵一般要求免維護的時間為八年，即要求連續運轉八年不得拆卸，因而對磁力泵件的選材提出了極為苛刻的要求，如泵中的泵軸、止推盤、軸套等，必須耐磨損、耐腐蝕，而目前能滿足上述條件的材料只有碳化硅陶瓷最適合。

     除了在傳統加工方面及其擴展領域中的應用，碳化硅陶瓷在現代科技中的應用前景更是十分廣泛，比如作為半導體材料。隨著現代信息化的發展，Si器件已難以承受高溫環境，而碳化硅陶瓷具有擊穿場強高、熱導率大、禁帶寬度大、介電常數小等特性，所以在光電器件、高溫電子器件和高頻大功率器件方面前景廣闊。

     碳化硅陶瓷在許多工業領域中的應用顯示了其優良的性能，因而引起了人們的普遍重視。在無機非金屬材料領域中碳化硅陶瓷是一個很大的家族，其觸角幾乎伸遍了所有的工業領域。但是由于碳化硅陶瓷的難燒結性，因而它的制作工藝復雜，生產成本較昂貴。因此，降低碳化硅陶瓷的燒成溫度、尋找新的廉價生產工藝同時挖掘和開發碳化硅的更多優點仍是材料工作者的研究重點?？梢灶A見，碳化硅陶瓷將有廣闊的發展和應用前景。