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碳化硅陶瓷的性能及应用

2017/3/4

  现在随着科学技术的发展,信息、能源、材料、生物工程已经成为当今社会生产力发展的四大支柱,而碳化硅由于化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、密度小、耐磨性能好、硬度大、机械强度高、耐化学腐蚀,在材料领域发展迅速,普遍用于陶瓷球轴承、阀门、半导体材料、陀螺、测量仪、航空航天等领域。合肥碳化硅陶瓷喷涂 <http://www.lyxjtc.com/>服务热线13905518927。
  碳化硅的结构与化学性质。碳化硅以共价键为主,共价键约占88%。晶格的基本结构是互相穿插的SiC4和CSi4四面体,构成了许多不同的结晶类型。从理论上讲,碳化硅均由SiC四面体堆积而成,所不同的只是平行结合或反平行结合。SiC有75种变体,如α-SiC、β-SiC、3C-SiC、4H-SiC、15R-SiC等,所有这些结构可分为立方晶系、六方晶系和菱形晶系,其中α-SiC、β-SiC最为常见。α-SiC是高温稳定型,β-SiC是低温稳定型,在2100~2400℃可转变为α-SiC。β-SiC可在1450℃左右温度下由简单的硅和碳混合物制得。
  碳化硅的化学稳定性与其氧化特性有密切关系。碳化硅本身很容易氧化,但它氧化之后形成了一层二氧化硅薄膜,氧化进程逐步被阻碍。在空气中,碳化硅于800℃时就开始氧化,但很缓慢;随着温度升高,则氧化速度急速加快。碳化硅的氧化速率,在氧气中比在空气中快1.6倍,氧化速率随着时间推移而减慢。如果以时间推移对氧化的数量描图,可以得到典型的抛物线图形,这反映出二氧化硅保护层对碳化硅氧化速率的阻碍作用。
  氧化时,若同时存在着能将二氧化硅薄膜移去或使之破裂的物质,则碳化硅就易被进一步氧化。例如,铁、锰等金属有几种化合价,其氧化物能将碳化硅氧化,并且又能与二氧化硅生成低熔点化合物,因此就能侵蚀碳化硅。例如,FeO在1300℃、MnO在1360℃能侵蚀碳化硅,而CaO、MgO在1000℃就能侵蚀碳化硅。
  水蒸汽与碳化硅在高温下反应相当强烈,于1100℃以上时,视情况不同,可生成硅、碳或二氧化硅。碳化硅在1000℃左右时,能与硫化氢等含硫化合物生成红棕色的硫化硅(SiS2或SiS)。这一反应也是碳化硅制品在烧成时色泽变红的原因之一。
  碳化硅的优势
  碳化硅与现在使用广泛的金属材料相比,具有以下优点:
  1) 机械强度高,刚性好
  机械强度高可以有效防止材料变形,这点至关重要。碳化硅的机械强度高于刚玉。例如,碳化硅的抗压强度为224MPa,刚玉仅为75.7MPa;碳化硅的抗弯强度为15.5MPa,而刚玉则为8.72MPa。
  2) 硬度大,耐磨损
  碳化硅的硬度相当高,按莫氏刻痕硬度为9.2~9.6,仅次于金刚石和碳化硼,高于刚玉而名列普通磨料的前茅。与金属钢制材料相比,它不仅硬度高,而且在无润滑状态下摩擦系数小,摩擦力相对较小,表面粗糙度小,具有良好的耐磨性。此外,它对外界物质的冲击抵抗能力强,提高了表面的承受能力。
  3) 密度小
  碳化硅材料的密度比金属小,因而造出的设备更加轻巧。
  4) 耐高温,热膨胀系数小
  碳化硅是在高温下制成的。在某些高温环境下,要求材料既要有一定的加工强度,又要满足加工精度,碳化硅陶瓷能达到这两点。碳化硅的最高使用温度为800℃左右,而钢的承受温度仅为250℃。粗略计算,碳化硅的平均热膨胀系数在25~1400℃范围内为4.4×10-6/℃。碳化硅的热膨胀系数测定结果表明,其量值与其他磨料及高温材料相比要小得多,如刚玉的热膨胀系数可高达(7~8)× 10-6/℃。
  5) 导热系数高
  碳化硅的导热系数很高,这是碳化硅物理性能方面的另一个重要特点。碳化硅的导热系数比其他耐火材料及磨料要大的多,约为刚玉导热系数的4倍。碳化硅所具有的低热膨胀系数和高导热系数,使其制件在加热及冷却过程中受到的热应力较小,这就是为什么碳化硅制件特别耐热震的原因。
  6) 耐腐蚀
  因为碳化硅具有高熔点(分解温度)、化学惰性和抗热振性,所以碳化硅能用于磨具、陶瓷制品烧成窑炉中用的棚板和匣钵、炼锌工业竖缸蒸馏炉用的碳化硅砖、铝电解槽衬、坩锅、小件炉材等多种碳化硅陶瓷制品。
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