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碳化硅陶瓷的特种制备烧结技术
- 2020-02-15-

  碳化硅陶瓷材料具有高温强度、高温抗氧化性、耐磨性好、热稳定性好、热膨胀系数小、导热系数高、硬度高、耐热冲击和耐化学腐蚀等优点。它已广泛应用于汽车、机械、化工、环境保护、空间技术、信息电子、能源等领域,已成为许多工业领域其他材料不可替代的结构。

  SiC陶瓷的优异性能与其独特的结构密切相关。SiC是一种具有强共价键的化合物,SiC键的离子性质仅为12%左右。因此C具有强度高、弹性模量大、耐磨性好等优点。盐酸、HnO3、H2SO43、H2SO4、HF和NaOH等酸溶液腐蚀。在空气中加热很容易氧化,但表面形成的SiO_2可以抑制氧的进一步扩散。就电学性质而言,SIC是半导体,少量杂质的引入将显示出良好的导电性。此外,SiC还有优良的导热性。

  SiC具有α和β两种晶型。SiC的晶体结构为立方晶体体系,Si和C分别形成表面中心的立方晶格。不同类型的SIC有一定的热稳定性关系。在低于1600摄氏度的温度下,原文以-原文的形式存在。当超过1600摄氏度时,-sic慢慢转化成-sic。4H-SiC在2000C左右容易产生;15R和6H多体在2100C以上的高温下容易产生;6H-SiC,即使温度在2200C以上,也非常稳定。不同类型SiC的自由能差异很小,因此,固溶的微量杂质也会引起类型间热稳定关系的变化。

  SiC陶瓷的生产工艺简述如下:

  碳化硅粉末的制备工艺分为固相合成和液相合成。

  固相合成法

  固相法主要包括碳热还原法和硅碳直接反应法。碳还原法还包括艾奇逊法、立式炉法和高温转炉法。Acheson方法首先由Acheson在Acheson电炉中开发,石英砂中的二氧化硅被碳减少到SiC。此外,该工艺消耗大量的电力,用于生产,热损失。

  经典的Acheson方法在1970年代得到了改进,1980年代出现了一种新的碳化硅粉体合成设备,如立式炉和高温转炉。沿用SiO2和SiO粉的混合粉末热释放的SiO气体,与活性炭反应日一,随着温度的提高和保温时间的延长,释放的SiO气体,粉末的比表面积下降

  硅碳直接反应是自蔓延高温合成方法的应用,是外加热源点火反应的主体。除引燃外无需外部热源,具有耗能少、设备工艺简单、生产率高的优点,其缺点是目发反应难以控制。此外,硅与碳之间的反应是一种弱放热反应,在室温下很难点燃和维持反应。

  液相合成法

  液相法主要包括溶胶-凝胶法和聚合物分解法。溶胶-凝胶法是在1952年前后首次提出的,在陶瓷制备中的实际应用始于1952年。用溶剂溶解的液体化学试剂制备的醇盐前驱体在低温下形成均匀溶液,经过适当的混凝剂水解和聚合形成溶胶体系,经过长时间的放置或干燥,将Si、C的混合物或聚合物浓缩在分子水平,然后加热Si、C的混合物形成均匀细小的Si、C的混合物。溶胶凝胶的主要控制参数为pH值、浓度、反应温度和时间。该方法易于在工艺操作过程中添加各种微量元素,且混合均匀性好,但是工艺产品中残留的羟基和有机溶剂对人体有害,原料成本高,收缩量大不足。

  高温分解有机聚合物是制备碳化硅的有效方法:

  第一种是加热凝胶聚硅氧烷的分解反应,释放小单体,最终形成SiO2和C,然后通过碳还原反应制备SiC粉末。

  另一种是加热加热聚硅烷或聚碳硅烷,以释放小单体,然后形成骨架形成SiC粉末。

  目前,采用溶胶-凝胶技术将SiO_2制备成氢氧衍生物溶胶/凝胶材料,保证了烧结添加剂和增韧添加剂在凝胶中均匀分布。

  烧结工业

  无压烧结

  无压烧结是碳化硅最有前途的烧结方法,根据不同的烧结机理,无压烧结可分为固相和液相烧结。在2020c时,在含氧量小于2%的超细SiC粉体中同时添加适量的b和c,使SiC粉体的密度大于98%。a.mulla等人在1850~1950c以Al2O3和Y2O3为添加剂烧结0.5m-SiC(颗粒表面少量SiO2),得到SiC陶瓷的相对密度大于理论密度的95%,晶粒尺寸小,平均尺寸为1.5m。

  热压烧结

  nadeau指出,纯SiC只有在非常高的温度下才能烧结和致密,而不添加任何助烧剂,因此许多人将热压烧结工艺应用于SiC。目前已有很多关于加入助烧剂热压烧结的报道。研究了B、Al、Ni、Fe、Cr等金属添加剂对SiC致密化的影响,发现Al和Fe是促进SiC热压烧结的最有效添加剂。Lange研究了不同Al2O3对热压烧结SiC性能的影响。但是,热压烧结工艺只能制备简单的SiC元件,一次性热压烧结工艺制备的产品数量较少,不利于工业化生产。

  热等静压烧结

  为了克服传统烧结工艺存在的缺陷,在1900c热等静压条件下制备了以b、c为添加剂的精制SiC陶瓷。热等静压烧结虽然可以获得形状复杂、力学性能好的致密SiC产品,但由于必须密封Hip烧结,难以实现工业化生产。