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碳化硅陶瓷材料

一、概述

随着科学技术的发展，特别是能源、空间技术的高度发展，经常要求材料必须有耐高温、抗腐蚀、耐磨损等优越性能，才能在比较苛刻的工作环境中使用。由于特种陶瓷材料具有抗氧化性强、耐磨性能好、硬度高、热稳定性好、高温强度大、热膨胀系数小、热导率大以及抗热震和耐化学腐蚀等优良特性，已成为尖端科学的重要组成部分，受到普遍重视。

碳化硅陶瓷是近二十几年才开始发展的新材料，但由于其具有特别优良的高强度、高硬度、耐腐蚀、耐高温性能，很快得到了开发应用，大量应用于石油化工、冶金机械、航空航天、微电子、汽车、钢铁等领域，并日益显示出其他特种陶瓷所无法比拟的优点。

现代国防、核能和空间技术以及汽车工业、海洋工程的迅速发展，对火箭燃烧室内衬、飞机涡轮发动机叶片、核反应堆结构部件、高速气动轴承和机械密封零件等材料的要求愈来愈高，迫切需要开发各种新型高性能结构材料。

碳化硅(SiC)陶瓷具有高温强度大、抗氧化性强、耐磨损性好、热稳定性佳、热膨胀系数小、热导率大、硬度高以及抗热震和耐化学腐蚀等优良特性，因此，已经在许多领域大显身手，并日益受到人们的重视。

例如，

SiC陶瓷在石油化学工业中已被广泛地用作各种耐腐蚀用容器及管道;

在机械工业中已被成功地用作各种轴承、切削刀具和机械密封部件;

在宇航和汽车工业中也被认为是未来制造燃气轮机、火箭喷嘴和发动机部件的最有希望的候选材料。

碳化硅陶瓷材料具有高温强度大、高温抗氧化性强、耐磨损性能好、热稳定性佳、热膨胀系数小、热导率大、硬度高、抗热震和耐化学腐蚀等优良特性。在汽车、机械化工、环境保护、空间技术、信息电子、能源等领域有着日益广泛的应用，已经成为一种在很多工业领域性能优异的其他材料不可替代的结构陶瓷。

二、碳化硅陶瓷的合成与制备

SiC由于其共价键结合的特点，烧结时的扩散速率相当低，即使在的2100℃的高温，C和Si的自扩散系数也仅为1.5X10-10和2.5X10-13 cm2/s所以，很难采取通常离子键结合材料所用的单纯化合物常压烧结途径来制取高致密化材料，必须采用一些特殊的工艺手段或依靠第二相物质促进其烧结。

SiC很难烧结。

其晶界能与表面能之比很高,不易获得足够的能量形成晶界而烧结成块体。SiC烧结时的扩散速率很低,其表面的氧化膜也起扩散势垒作用。因此,碳化硅需要借助添加剂或压力等才能获得致密材料。如制件采用A1-B-C作为烧结助剂。硼(B)在SiC晶界的选择性偏析减小晶界能,提高烧结推动力,但过量的B会使SiC晶粒异常长大。添加C(碳)可以还原碳化硅表面对烧结起阻碍作用的SiO2膜,并使表面自由能提高。但过多的碳,使制品失重,密度下降。铝(Al)有抑制晶粒长大的作用,并有增强硼的烧结助剂作用,但过量的A1却会使制件的高温强度下降。因此,必须通过试验合理确定Al,B,C的用量。

目前制备SiC陶瓷的主要方法有无压烧结、热压烧结、热等静压烧结、反应烧结等。

三、SiC陶瓷的主要应用领域

(1)磨料

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，广泛应用于机械加工行业。我国工业碳化硅主要作磨料用，黑色碳化硅制成的磨具，多用于切割和研磨抗张强度低的材料，如玻璃、陶瓷、石料和耐火物等，同时也用于铸铁零件和有色金属材料的磨削。绿色碳化硅制成的磨具，多用于硬质合金、钛合金、光学玻璃的磨削，同时也用于缸的磨及高速钢刀具的精磨。立方碳化硅专用于微型轴承的超精磨,采用W3.5立方碳化硅微粉制成的油石对轴承(材料ZGCr15)超精磨，其光洁度可由9直接磨到12以上。因此，在相同粒度的其他磨料中，立方碳化硅的加工效率最高。

(2) 耐火材料

国外将碳化硅用作耐火材料的数量大于用作磨料。我国亦在不断扩大这方面的应用，根据国外厂商的习惯，耐火材料黑色碳化硅通常分为3种牌号:

1、高级耐火材料黑碳化硅。这种牌号的化学成分要求与磨料用黑色碳化硅完全相同，主要用以制造高级碳化硅制品，如重结晶碳化硅制品、燃气轮机构件、喷嘴、氮化硅结合碳化硅制件、高炉高温区衬材、高温窑炉构件、高温窑装窑支承件、耐火匣钵等。

2、二级耐火材料黑色碳化硅，含碳化硅大于90%。主要用于制造耐中等高温的窑炉构件，如马弗炉炉衬材料等。这些构件除利用碳化硅的耐热性、导热性外,在很多场合还兼用它的化学稳定性。

3、低品位耐火材料黑色碳化硅，其碳化硅含量要求大于83%，主要用于出铁槽、铁水包，炼锌业和海绵铁制造业等的内衬。

(3)脱氧剂

炼钢时通常要使用硅铁脱氧，近代发展了用碳化硅代替硅铁作脱氧剂，炼出的钢质量更好、更经济。因为用碳化硅脱氧时，成渣少而且很快，有效地减少了渣中某些有用元素的含量，炼钢时间短而成分更好控制，脱氧剂黑色碳化硅在美国和日本等国家的钢铁工业中用得很普遍。磨料用或耐火材料用碳化硅在炉中所生成的适合于作脱氧剂的物料，都能全部销售应用于生产而无须回炉，产品综合利用率高，生产的经济效果极佳。

(4)军事方面

用碳化硅陶瓷与其他材料一起组成的燃烧室及喷嘴，已应用于火箭技术中。碳化硅基复合材料制备的阿丽亚娜火箭尾喷管已成功应用。碳化硅密度居中，比Al2O3轻20%，硬度和弹性模量较高，价格比B4C低得多，还可用于装甲车辆和飞机机腹及防弹防刺衣等。碳化硅材料还具有自润滑性及摩擦系数小，约为硬质合金的一半。它的抗热震性好、弹性模量高等特点在一些特殊地方获应用，如用来制成高功率的激光反射镜其性能优于铜质，由于密度低、刚性好、变形小。CVD与反应烧结的碳化硅轻量化反射镜已经在空间技术中大量使用。

(5) 电气和电工

利用碳化硅陶瓷的高热导性能，绝缘性好作为大规模集成电路的基片和封装材料。碳化硅发热体是一种常用的加热元件，由于它具有操作简单方便，使用寿命长，使用范围广等优点，成为发热材料中最经久耐用且价廉物美的一种，使用温度可达1600℃。此外,碳化硅还可用做避雷器的阀体和远红外线发生器等。

(6)耐磨及高温件

利用碳化硅陶瓷的高硬度、耐磨损、耐酸碱腐蚀等性能，在机械工业、化学工业中被用来制备新一代的机械密封材料，如滑动轴承、耐腐蚀的管道、阀片和风机叶片。尤其是作为机械密封材料已被国际上确认为自金属、氧化铝、硬质合金以来第四代基本材料，它的抗酸、抗碱性能与其它材料相比是极为优秀的，几乎没有一种材料可与之相比。利用碳化硅陶瓷的高热导性能，可用于冶金工业窑炉中的高温热交换器等，使用温度可达1300℃;用电镀方法将碳化硅微粉涂敷于水轮机叶轮上，可以大大提高叶轮的耐磨性能，延长其检修周期。用机械压力将立方碳化硅磨粉与W28微粉压入内燃机的汽缸壁上,可延长缸体使用寿命达1倍以上。使用碳化硅与硼砂的混合物对45#钢收割机刀片进行表面渗硼化学热处理可使其渗硼层的硬度达到克氏显微硬度1800-2000kg/mm2，使其使用寿命延长数倍。用碳化硅制成的托辊，早已成功地应用于轧钢机上，它比金属托辊有更好的耐热性与耐磨性，并能改善所轧钢材的质量。用碳化硅材料制成的砂泵及水力旋流器，具有很好的耐磨性能;用碳化硅材料制成的缸套等耐磨件可广泛用于石油和化工等行业。碳化硅还可作为高温热机械用材料，被首选为热机械的耐高温部件。诸如:作高温燃汽轮机的燃烧室、涡轮的静叶片、高温喷嘴等。用碳化硅制成活塞与气缸套用于无润滑油无冷却的柴油机上，可减少摩擦30%~50%，使噪声明显降低。

(7)碳化硅陶瓷在新能源材料制备中的应用

磷酸铁锂是目前广泛使用的锂电池正极材料之一。由于纳米粒子可减小锂离子嵌入脱出深度和行程，保证大电流放电时容量不衰减，因此“超细研磨”成为提高其使用性能的主要手段之一。目前该工艺中最常用的设备就是砂磨机，利用碳化硅材料的特性完全可以让砂磨机更适用于磷酸铁锂的生产——如碳化硅内筒体，硬度高、耐磨、导热性好，可快速带走研磨腔内的热量，大大提高研磨的效率还降低能耗。

正极材料一般需要在较高的温度下通过氧化物原料或前驱体反应制得，而快速加热和冷却过程中坩埚易出现开裂和剥落，因此需要耐高温且抗热冲击性好的器皿能盛装氧化物原料或前驱体材料。而碳化硅陶瓷的耐高温、耐腐蚀以及高承重性，恰恰适用于三元材料的高温烧结工艺，可以很好的保障高温煅烧的稳定可靠。

除此之外，碳化硅陶瓷在光伏领域也是大有可为。如在单晶硅和多晶硅的合成工艺中，碳化硅陶瓷的耐冲击、耐磨损、耐高温特性，表面化学气相沉积后的高纯度保障了硅料的合成工艺；在硅片热处理和氧化工艺中，因碳化硅陶瓷具有耐高温承载能力及高纯度，能使制程处理温度提高，从而提高硅片的性能，因此晶舟、托架、悬臂桨等核心部件越来也成为重要的卡脖子部件。

(8)光刻机用精密陶瓷部件的首选材料

碳化硅陶瓷具有高的弹性模量和比刚度，不易变形，并且具有较高的导热系数和低的热膨胀系数，热稳定性高，因此碳化硅陶瓷是一种优良的结构材料，目前已经广泛应用于航空、航天、石油化工、机械制造、核工业、微电子工业等领域。

但是，由于碳化硅是Si—C键很强的共价键化合物，具有极高的硬度和显著的脆性，精密加工难度大；此外，碳化硅熔点高，难以实现致密、近净尺寸烧结。因此，大尺寸、复杂异形中空结构的精密碳化硅结构件的制备难度较高，限制了碳化硅陶瓷在诸如集成电路这类的高端装备制造领域中的广泛应用。目前只有日本、美国等少数几个发达国家的少数企业(如日本的Kyocera、美国的CoorsTek等)成功地将碳化硅陶瓷材料应用于集成电路制造关键装备中，如光刻机用碳化硅工件台、导轨、反射镜、陶瓷吸盘、手臂等。

(9)碳化硅陶瓷的过滤应用

石油化工、垃圾焚烧、生物质气化、水泥工业、多晶硅、汽车尾气和精炼厂的催化裂解等行业，排放的工业尾气不仅温度高（>300 ºC），波动性大，气体成份复杂，而且常常含有还原性或氧化性、碱金属蒸汽等腐蚀性物质，这都对除尘技术提出了更高的要求。除尘器中的过滤材料不仅除尘精度高，而且还具备耐高温、耐腐蚀、耐热震和抗蠕变性质等。随着国家“3060”战略目标的推进，过程工业高温烟气将面临潜在热能回收的巨大需求，产业升级迫切需要新一代的高温气体净化技术。

碳化硅多孔陶瓷是一种新型膜分离材料之一，和氧化类陶瓷相比，碳化硅是共价键性极强的化合物，机械强度大，具有耐高温（＞800℃）、耐腐蚀、抗热震性能高、孔径范围宽、应用范围广等优点，最理想的高温除尘过滤材料之一。

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