碳化硅陶瓷
学号：2008107101 姓名：罗桂常 指导老师：吴卫华
摘要：碳化硅是一种典型共价键结合化合物，具有高硬度、耐磨、抗氧化等特性，广泛应用于航空、机械、汽车、冶金、化工、电子等领域。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，因此可以利用各种不同的工艺制备，制造 不同性能的碳化硅陶瓷，满足各种需要。
关键词：碳化硅 制备工艺 性能 高硬度 耐磨性
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.Acheson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。
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。
（1） 反应烧结碳化硅陶瓷： 反应碳化硅陶瓷的制备工艺较为简单，它直接采用一定颗粒级配的碳化硅，与碳混合后成型生胚，然后在高温下进行渗碳，部分硅与碳反应生成SIC与原来胚体中的SiC结合，达到烧结目的，渗碳的方法有两种：一种是温度达到硅的熔融温度，产生硅的熔融温度，产生硅的蒸气，通过硅蒸汽渗入胚体达到烧结目的。用该工艺制备的SiC烧结体的生产成本较低。但是，该工艺决定了烧结后胚体中残留游离硅，这部分硅对以后产品的应用产生应影响，一方面使得烧结体的强度和耐磨性下降，另一方面游离硅的存在讲的了碳化硅的耐酸性能。
（2） 无烧结碳化硅陶瓷： 碳化硅的无压烧结可以分为固相烧结与液相烧结两种。无压烧结碳化硅的纯度较高，SiC含量大于97%以上，耐酸碱腐蚀性大大优于反应烧结碳化硅，易实现批量化生产。
（3） 热压烧结碳化硅陶瓷： 热压烧结是制备高致密度碳化硅陶瓷最有效途径之一。热压烧结碳化硅的性能一般要比反应烧结和无压烧结碳化硅要高，尤其是其晶粒较细，致密性高，制品的强度与硬度均较高。
（4） 高温热等静压烧结碳化硅陶瓷： 高温热等静压工艺是一种先进的陶瓷烧结工艺。它将陶瓷粉料或陶瓷素胚经包装后放入高温热等静压的装置中，在高温、高压下烧结成致密体。它的特点是四周同时均匀加压，简称HIP。
（5） 重结晶碳化硅陶瓷： 原料经过混炼、成型、干燥后，在于空气隔绝的高温电炉内烧成，煅烧温度为2300~2500℃。当温度超过2100℃时，SiC发生蒸
发凝结，导致生成无烧结收缩自结合结构的重结晶碳化硅陶瓷。
由于碳化硅陶瓷的组织结构不同，其性能也不同。热性能：SiC具有很高的导热系数和负的温度系数。高的导热率和较小的热膨胀系数使得它具有较好的抗热冲击性。力学性能：SiC的硬度很高，仅次于金刚石、立方BN、B4C等少数几种材料。SiC陶瓷的断裂韧性是比较低的，其强度也不高，但是高温强度很好。SiC陶瓷的抗弯强的随其制造工艺方法不同而异。电性能：十分纯的SiC是绝缘体，其电阻率极高，但当含有杂质时，电阻率大幅度下降，趋于很小，加上它具有负的电阻温度系数，因此时常用的发热元件材料和非线性压敏电阻材料。化学性质：大多数无机酸不能将SiC分解，但硝酸和氢氟酸的混合物能将SiC氧化并使生成SiO2溶解。
因为碳化硅陶瓷有其独特的性能，因此它也有很多的用途。由于SiC陶瓷高温强度大、高温蠕变小、硬度高、耐磨、耐腐蚀、抗氧化、高热导率和高电导率以及热稳定性好，所以它是1400℃以上良好的高温结构陶瓷材料，它的用途十分广泛。作为初级的SiC产品，在陶瓷工业中已经大规模地用来做炉膛结构材料、匣体、栅板、隔焰板、炉管、炉膛垫板，使用这些材料可以提高陶瓷产品的质量和产量，并为快速烧成提供条件。而近年来开发的高性能SiC陶瓷，为一系列特殊应用环境提供了使用的可能性，如可用来作高温、耐磨、耐腐蚀机械部件。碳化硅的另一种重要用途是高效率的热交换器，因为SiC有高的热导率。从作为耐腐蚀、耐磨损机械部件开始，它已逐步进入到高温燃气轮机部件的领域。在这方面，SiC陶瓷的呼声很高，因为在高温强度、抗蠕变性、抗氧化性等方面，它比其他陶瓷更优越，而这些能对燃气轮机来说十分重要。总之，SiC的应用非常广泛。当然对于上述这些高温应用，在使用温度范围内材料的力学性质固然重要，但是它的抗冲击性及在更高温度下的抗氧化性还有待进一步改进和提高。 参考文献：
1 张玉军等.结构陶瓷材料及其应用. 北京：化学工业出版社，2005.01 2 郭瑞松等.工程结构陶瓷. 天津：天津大学出版社，2002.05
3 王零森编著.特种陶瓷. 长沙：中南工业大学出版社，1998
4 邓世均著.高性能陶瓷涂层. 北京：化学工业出版社，2004
5 田增英主编.来自西方的知识-精密陶瓷及应用. 北京：科学普及出版社，1993 6 宋世泉等.结构陶瓷及其超塑性. 金属学报，2009.01
7 郭景坤.先进结构陶瓷浅说. 郑州航空工业管理学院学报，2009.10
8 武剑.纳米结构陶瓷涂层的制备技术. 材料开发与应用，2010.06
9 吕珺.结构陶瓷氧化反应裂纹愈合的力学现象. 无机材料学报.2006.02 10 苗赫濯.先进结构陶瓷等材料研究进展.稀有金属材料与工程.2008.01
11 Structural and spectroscopic study of oxyfluoride glasses and glass-ceramics using europium ion as a structural probe [外文期刊] Bueno, LA；Gouveia-Neto, AS；da Costa, EB；Messaddeq, Y；Ribeiro, SJL《Journal of Physics. Condensed Matter》, 2008 14
12 The Impact of Structural Change on Physical Flows in the Economy: Forecasting and Backcasting Using Structural Decomposition Analysis.[外文期刊] Hoekstra, Rutger；van den Bergh, Jeroen C. J. M《Land economics》, 2006 4
13 Crack-healing ability of structural ceramics and a new methodology to guarantee the structural integrity using the ability and proof-test[外文期刊] K. ANDO；K. FURUSAWA；K. TAKAHASHI《Journal of the European Ceramic Society》, 2005 5 14 Influence of Primary Milling on Structural and Electrical Properties of Bi_4Ti_3O_(12) Ceramics Obtained by Sintering Process[外文期刊] J. Dercz；G. Dercz；K. Prusik；B. Solecka；A. Starczewska；J. Ilczuk《International Journal of Thermophysics》, 2010 1
15 Novel structural properties of the lead-vanadate-tellurate glass ceramics[外文期刊] Rada, M；Culea, E；Rada, S；Maties, V；Pascuta, P《Journal of Materials Science》, 2010 6
碳化硅陶瓷
学号：2008107101 姓名：罗桂常 指导老师：吴卫华
摘要：碳化硅是一种典型共价键结合化合物，具有高硬度、耐磨、抗氧化等特性，广泛应用于航空、机械、汽车、冶金、化工、电子等领域。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，因此可以利用各种不同的工艺制备，制造 不同性能的碳化硅陶瓷，满足各种需要。
关键词：碳化硅 制备工艺 性能 高硬度 耐磨性
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.Acheson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。
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。
（1） 反应烧结碳化硅陶瓷： 反应碳化硅陶瓷的制备工艺较为简单，它直接采用一定颗粒级配的碳化硅，与碳混合后成型生胚，然后在高温下进行渗碳，部分硅与碳反应生成SIC与原来胚体中的SiC结合，达到烧结目的，渗碳的方法有两种：一种是温度达到硅的熔融温度，产生硅的熔融温度，产生硅的蒸气，通过硅蒸汽渗入胚体达到烧结目的。用该工艺制备的SiC烧结体的生产成本较低。但是，该工艺决定了烧结后胚体中残留游离硅，这部分硅对以后产品的应用产生应影响，一方面使得烧结体的强度和耐磨性下降，另一方面游离硅的存在讲的了碳化硅的耐酸性能。
（2） 无烧结碳化硅陶瓷： 碳化硅的无压烧结可以分为固相烧结与液相烧结两种。无压烧结碳化硅的纯度较高，SiC含量大于97%以上，耐酸碱腐蚀性大大优于反应烧结碳化硅，易实现批量化生产。
（3） 热压烧结碳化硅陶瓷： 热压烧结是制备高致密度碳化硅陶瓷最有效途径之一。热压烧结碳化硅的性能一般要比反应烧结和无压烧结碳化硅要高，尤其是其晶粒较细，致密性高，制品的强度与硬度均较高。
（4） 高温热等静压烧结碳化硅陶瓷： 高温热等静压工艺是一种先进的陶瓷烧结工艺。它将陶瓷粉料或陶瓷素胚经包装后放入高温热等静压的装置中，在高温、高压下烧结成致密体。它的特点是四周同时均匀加压，简称HIP。
（5） 重结晶碳化硅陶瓷： 原料经过混炼、成型、干燥后，在于空气隔绝的高温电炉内烧成，煅烧温度为2300~2500℃。当温度超过2100℃时，SiC发生蒸
发凝结，导致生成无烧结收缩自结合结构的重结晶碳化硅陶瓷。
由于碳化硅陶瓷的组织结构不同，其性能也不同。热性能：SiC具有很高的导热系数和负的温度系数。高的导热率和较小的热膨胀系数使得它具有较好的抗热冲击性。力学性能：SiC的硬度很高，仅次于金刚石、立方BN、B4C等少数几种材料。SiC陶瓷的断裂韧性是比较低的，其强度也不高，但是高温强度很好。SiC陶瓷的抗弯强的随其制造工艺方法不同而异。电性能：十分纯的SiC是绝缘体，其电阻率极高，但当含有杂质时，电阻率大幅度下降，趋于很小，加上它具有负的电阻温度系数，因此时常用的发热元件材料和非线性压敏电阻材料。化学性质：大多数无机酸不能将SiC分解，但硝酸和氢氟酸的混合物能将SiC氧化并使生成SiO2溶解。
因为碳化硅陶瓷有其独特的性能，因此它也有很多的用途。由于SiC陶瓷高温强度大、高温蠕变小、硬度高、耐磨、耐腐蚀、抗氧化、高热导率和高电导率以及热稳定性好，所以它是1400℃以上良好的高温结构陶瓷材料，它的用途十分广泛。作为初级的SiC产品，在陶瓷工业中已经大规模地用来做炉膛结构材料、匣体、栅板、隔焰板、炉管、炉膛垫板，使用这些材料可以提高陶瓷产品的质量和产量，并为快速烧成提供条件。而近年来开发的高性能SiC陶瓷，为一系列特殊应用环境提供了使用的可能性，如可用来作高温、耐磨、耐腐蚀机械部件。碳化硅的另一种重要用途是高效率的热交换器，因为SiC有高的热导率。从作为耐腐蚀、耐磨损机械部件开始，它已逐步进入到高温燃气轮机部件的领域。在这方面，SiC陶瓷的呼声很高，因为在高温强度、抗蠕变性、抗氧化性等方面，它比其他陶瓷更优越，而这些能对燃气轮机来说十分重要。总之，SiC的应用非常广泛。当然对于上述这些高温应用，在使用温度范围内材料的力学性质固然重要，但是它的抗冲击性及在更高温度下的抗氧化性还有待进一步改进和提高。 参考文献：
1 张玉军等.结构陶瓷材料及其应用. 北京：化学工业出版社，2005.01 2 郭瑞松等.工程结构陶瓷. 天津：天津大学出版社，2002.05
3 王零森编著.特种陶瓷. 长沙：中南工业大学出版社，1998
4 邓世均著.高性能陶瓷涂层. 北京：化学工业出版社，2004
5 田增英主编.来自西方的知识-精密陶瓷及应用. 北京：科学普及出版社，1993 6 宋世泉等.结构陶瓷及其超塑性. 金属学报，2009.01
7 郭景坤.先进结构陶瓷浅说. 郑州航空工业管理学院学报，2009.10
8 武剑.纳米结构陶瓷涂层的制备技术. 材料开发与应用，2010.06
9 吕珺.结构陶瓷氧化反应裂纹愈合的力学现象. 无机材料学报.2006.02 10 苗赫濯.先进结构陶瓷等材料研究进展.稀有金属材料与工程.2008.01
11 Structural and spectroscopic study of oxyfluoride glasses and glass-ceramics using europium ion as a structural probe [外文期刊] Bueno, LA；Gouveia-Neto, AS；da Costa, EB；Messaddeq, Y；Ribeiro, SJL《Journal of Physics. Condensed Matter》, 2008 14
12 The Impact of Structural Change on Physical Flows in the Economy: Forecasting and Backcasting Using Structural Decomposition Analysis.[外文期刊] Hoekstra, Rutger；van den Bergh, Jeroen C. J. M《Land economics》, 2006 4
13 Crack-healing ability of structural ceramics and a new methodology to guarantee the structural integrity using the ability and proof-test[外文期刊] K. ANDO；K. FURUSAWA；K. TAKAHASHI《Journal of the European Ceramic Society》, 2005 5 14 Influence of Primary Milling on Structural and Electrical Properties of Bi_4Ti_3O_(12) Ceramics Obtained by Sintering Process[外文期刊] J. Dercz；G. Dercz；K. Prusik；B. Solecka；A. Starczewska；J. Ilczuk《International Journal of Thermophysics》, 2010 1
15 Novel structural properties of the lead-vanadate-tellurate glass ceramics[外文期刊] Rada, M；Culea, E；Rada, S；Maties, V；Pascuta, P《Journal of Materials Science》, 2010 6