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关于碳化硅陶瓷的基础知识
- 2020-02-15-

  碳化硅陶瓷具有高硬度、高熔点(2400c)、高耐磨性和耐腐蚀性,以及优异的抗氧化性、高温强度、化学稳定性、耐热震性、导热性和良好的气密性等特点,已广泛应用于能源、冶金、机械、石油、化工、航空、航天、国防等领域

  研磨工业通常根据颜色将碳化硅分为黑色肉桂和绿色碳化硅,两者都是六角形晶体,属于-SIC。

  黑碳化硅含有98.5%左右的碳化硅,黑碳化硅由石英砂、石油焦和高品质制成。它的硬度介于刚玉和金刚石之间,机械强度高于刚玉,脆性和锋利。其韧性高于绿色碳化硅,其中大部分用于低拉伸强度材料,如玻璃、陶瓷、石材、耐火材料、铸铁和有色金属。

  绿色碳化硅含有99%以上的碳化硅,绿色碳化硅是石油焦和高质量二氧化硅的主要原料,加盐作为添加剂,经电阻炉冶炼。它具有良好的自锐性能,主要用于硬质合金、中国合金和光学玻璃的加工,也用于耐磨缸套和精制高速钢刀具。

  SiC的强共价键是SiC具有一系列优异性能的根本原因,但也给烧结带来困难。

  从热力学角度来看,烧结过程中原粉团聚导致的自由能降低是致密化的主要驱动力。但是,SiC晶界自由能相对较高,从固-固界面到固-固界面,导致粉末团聚,自由能量下降不明显。自由能差越小,烧结过程的驱动力越低,SiC粉末比其他陶瓷更加困难,目前常用的方法是通过添加烧结助剂、减小原粉粒径和压制来改变自由能和促进SiC的致密化。

  从动态角度看,烧结过程中的传质机制主要有蒸发和冷凝、粘度流动、表面扩散、晶界或晶格扩散和塑性变形。SiC的强共价键导致固相传质速率慢,如晶格扩散和表面扩散,气相传质需要高温才能促进粉末分解。因此,现有的烧结工艺主要是通过添加烧结助剂来提高固相扩散速率或产生粘性液体玻璃辅助SiC来实现粘性流动。

  SiC陶瓷的高纯度不含杂质,可以提高SiC陶瓷的热导率,但是在烧结过程中,要降低烧结温度,提高烧结助剂的密度,必须介绍如何解决这们之间的矛盾,是SiC陶瓷烧结难度高、焦点高的问题。

  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。

  北欧陶瓷具有良好的介电性能,在某些领域被用作高热导基材料。然而,由于北欧、欧洲、美国、日本等地的毒性,已经颁布了限制北欧电子产品销售和发展的规定。

  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。而且,在湿环境中,铝易水解,可靠性差。

  SiC陶瓷具有密度低、机械强度高、抗氧化性好、耐磨性好、耐热冲击性好、热膨胀系数低、与芯片热膨胀系数高兼容性、耐化学腐蚀等特点,在电子产品领域具有良好的开发应用前景,能满足电子设备性能高、重量小、可靠性要求。