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关于碳化硅陶瓷,那些你不知道的事

日期: 2018-10-12
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碳化硅陶瓷具有高硬度、高熔点(2400℃) 、高耐磨性和耐腐蚀性,以及优良的抗氧化性、高温强度、化学稳定性、抗热震性、导热性能和良好的气密性等,因而在能源、冶金、机械、石油、化工、航空、航天、国防等领域得到了广泛应用。



SiC的性质


关于碳化硅陶瓷,那些你不知道的事


磨料行业习惯性把碳化硅按色泽分为黑色碳化桂和绿色碳化硅两大类,这二者均为六方晶体,也都属α-SiC。


黑碳化硅含SiC约98.5%,黑碳化硅是以石英砂,石油焦和优质硅石为主要原料,通过电阻炉高温冶炼而成。其硬度介于刚玉和金刚石之间,机械强度高于刚玉,性脆而锋利。其韧性高于绿碳化硅,大多用于加工抗张强度低的材料,如玻璃、陶瓷、石材、耐火材料、铸铁和有色金属等。


绿碳化硅含SiC达99%以上,绿碳化硅是以石油焦和优质硅石为主要原料,添加食盐作为添加剂,通过电阻炉高温冶炼而成。其自锐性好,大多用于加工硬质合金、钦合金和光学玻璃,也用于耐磨汽缸套和精磨高速钢刀具。



SiC陶瓷的烧结难点



SiC的强共价键,是SiC陶瓷具有一系列优异性能的根本原因,但是因此也带来了烧结上的困难,共价键太强会阻碍SiC陶瓷烧结致密化,为此不得不提高烧结温度,进而提高了成本,限制了其在工业上的应用。


从热力学角度考虑,烧结过程中原始粉体团聚导致自由能的减小是致密化的主要驱动力。但是SiC晶界自由能比较高,导致粉体即便团聚由固-气界面变为了固-固界面,自由能下降幅度也不大。而自由能差越小,烧结过程驱动力越小,所以SiC粉体比起其它陶瓷烧结难度更大,目前通用的方法是通过添加烧结助剂、减小原始粉体粒度及加压的方式来改变其自由能、促进SiC的致密化。


从动力学角度考虑,烧结过程中主要的传质机理有:蒸发与凝聚、粘滞流动、表面扩散、晶界或晶格扩散和塑性变形等。SiC强共价键会导致晶格扩散和表面扩散等固相传质速率变慢,而气相传质需要高温来促进粉体分解, SiC分解温度高达2500℃以上,所以依赖气相传质来实现陶瓷致密化是不可能实现的。因此现有的烧结工艺主要是通过添加烧结助剂来提高SiC的固相扩散速率或者生成黏性的液态玻璃相辅助SiC实现粘滞流动。


SiC陶瓷高度纯净,不含其它杂质的话可以提高SiC陶瓷的导热率,但是在烧结过程中为降低烧结温度和提高致密度必须引入烧结助剂,如何解决两者的矛盾是高导热SiC陶瓷烧结的难点和重点。



SiC陶瓷优于其他几种常见新型陶瓷的性质



Al2O3陶瓷,烧结温度相对较低,成本低廉,电绝缘性能好,目前已经得到广泛应用,但是其热导率较低,在大功率电路中的应用受到限制。


BeO陶瓷综合介电性能良好,在某些领域作为高导热基板材料,但由于BeO具有毒性,欧美、日本等地目前都开始颁布规定限制含BeO的电子产品的销售和研发。


AlN陶瓷兼具优秀的导热和电绝缘性,介电常数低,适用于大功率电路。但是AlN陶瓷的烧结温度过高,导致制备工艺复杂、成本高,尚未进行大规模的生产和应用。并且AlN容易发生水解反应,在潮湿环境下使用可靠性较差。


SiC陶瓷具有密度小,机械强度高,抗氧化性好,耐磨损,抗热震性能优异,热膨胀系数小并且与芯片热膨胀系数匹配度极高,耐化学腐蚀,在电子产品领域具有良好的发展和应用前景,可以满足未来电子设备高性能、小型轻量化、高可靠性的要求。


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