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生產(chǎn)碳化硅材料的多種方法總結(jié)發(fā)布日期：2020-10-26 類別:公司新聞 瀏覽量: 4565 times 1.引言 碳化硅特種陶瓷材料具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度、耐磨性、耐腐蝕性及良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性， 在航空、航天、汽車、機(jī)械、石化、冶金和電子等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。但由于碳化硅的強(qiáng)共價(jià)鍵特性，十分難以燒結(jié)。碳化硅陶瓷的制備方法很多，下面將介紹幾種主要的制備方法。 2. 碳化硅特種陶瓷材料的制備方法
2.1 反應(yīng)燒結(jié)碳化硅
將α—SiC粉末和碳按一定比例混合制成坯體，在1400—1650℃之間加熱，使液相或氣相Si滲入坯體，與碳反應(yīng)生成β—SiC，把坯體中α—SiC顆粒結(jié)合起來，從而得到致密SiC材料，這種工藝又稱自結(jié)合碳化硅。反應(yīng)燒結(jié)工藝制備碳化硅材料的優(yōu)點(diǎn)是燒結(jié)溫度低，制成品無體積收縮，無氣孔，形狀保持不變，其主要缺點(diǎn)是燒結(jié)體中含有8％-12％的游離硅與少量殘留碳，從而限制了材料的最高使用溫度（＜1350℃），同時(shí)也不適合在強(qiáng)氧化與強(qiáng)腐蝕環(huán)境中使用。
按起始素坯中是否含有碳化硅顆粒，可將反應(yīng)燒結(jié)碳化硅分為反應(yīng)結(jié)合碳化硅和反應(yīng)形成碳化硅。
2.1.1 反應(yīng)結(jié)合碳化硅
反應(yīng)結(jié)合碳化硅是指素坯中含有碳化硅和碳粉，在反應(yīng)過程中碳和硅反應(yīng)生成新的碳化硅相與原碳化硅相結(jié)合，從而形成碳化硅復(fù)合材料。其制備工藝如下：將碳化硅粉、碳粉和有機(jī)粘結(jié)劑混合，經(jīng)過成型、干燥、脫粘，最后滲硅而制得。這是現(xiàn)在普遍采用的一種方法。
這種方法制備的反應(yīng)燒結(jié)碳化硅中一般含有粗大的碳化硅晶粒，且自由硅的含量較高，但是此種方法工藝過程簡(jiǎn)單，且成本較低。
2.1.2 反應(yīng)形成碳化硅
反應(yīng)形成碳化硅是指素坯中只含有碳，這種多孔碳的素坯與硅或硅合金反應(yīng)從而制備出碳化硅復(fù)合材料。其主要原理是：將可轉(zhuǎn)變?yōu)樘嫉那膀?qū)體、孔形成劑及溶劑混合，在酸的催化作用下，使碳的前驅(qū)體聚合，隨著聚合過程的進(jìn)行所形成的聚合物與孔形成劑和溶劑相分離，形成富聚合物相和富孔形成劑和溶劑的雙連續(xù)相的固體，將此固體熱裂解，在熱裂解的過程中，聚合物相轉(zhuǎn)化為碳，而孔形成劑和溶劑蒸發(fā)或分解產(chǎn)生氣孔，從而獲得多孔碳。多孔碳再進(jìn)行滲硅或硅合金制取反應(yīng)燒結(jié)碳化硅材料。
用此法制備的反應(yīng)燒結(jié)碳化硅的優(yōu)點(diǎn)是：通過調(diào)節(jié)起始組分的濃度、聚合和熱處理溫度，所得多孔碳的密度、孔徑的大小和分布及孔的形貌在很大范圍內(nèi)可調(diào)；因是采用濕化學(xué)的方法，素坯的結(jié)構(gòu)均勻；素坯中只含有碳而不包含原生的碳化硅，這樣制品最終的顯微結(jié)構(gòu)均一，更有利于提高制品的力學(xué)、熱學(xué)及光學(xué)性能。用此種工藝制備的反應(yīng)形成碳化硅其強(qiáng)度可達(dá)600—700MPa。此法的缺點(diǎn)在于制備過程較復(fù)雜，成本較高，且在熱裂解的過程中有大量的氣體放出，素坯易開裂，較難制得大尺寸的制品。
另外，現(xiàn)在有采用石油焦為原料制備全碳質(zhì)素坯，再經(jīng)滲硅而制取反應(yīng)生成碳化硅。但是現(xiàn)在所制備的材料的性能較低，強(qiáng)度一般低于400MPa，且所得的碳化硅的均勻性不好。但是由于采用了價(jià)格低廉的石油焦為原料，成本較低。
2.2 無壓燒結(jié)（常壓燒結(jié)）碳化硅
碳化硅是共價(jià)鍵很強(qiáng)的材料，難以直接燒結(jié)致密，必須加入燒結(jié)助劑才能實(shí)現(xiàn)無壓燒結(jié)。Be，B，Al，N，P，As等易溶入碳化硅中，而B的溶解度最大。B可以以B4C的形式加入；此外碳的加入有利于使碳化硅顆粒表面的氧化膜的高溫時(shí)還原，增加顆粒表面能。目前常用的添加劑為Al+B4C+C或Al2O3+Y2O3。
采用β—SiC超細(xì)粉和B、C的體系，在1900—2100℃加熱燒結(jié)，密度可達(dá)到或超過理論密度的95％。
無壓燒結(jié)的優(yōu)點(diǎn)是：可以采用多種成形工藝制備各種形狀的制品，在適當(dāng)添加劑的作用下可獲得較高的強(qiáng)度和韌性，其不足之處在于燒結(jié)溫度較高，得到的材料具有一定的氣孔率，強(qiáng)度相對(duì)較低，并且伴隨15％左右的燒成體積收縮，此外在燒結(jié)過程中可能出現(xiàn)化學(xué)成分和密度的不均勻，影響其性能的均勻性。
2.3 熱壓燒結(jié)碳化硅
熱壓燒結(jié)生產(chǎn)工藝生產(chǎn)的碳化硅其性能優(yōu)良。特別是耐熱沖擊性優(yōu)秀，并具有高密度，高強(qiáng)度。密度可達(dá)理論密度的99％以上。據(jù)報(bào)導(dǎo)強(qiáng)度可達(dá)110kg／mm2，在1600℃時(shí)仍有105kg／mm2。但它的最大缺點(diǎn)是生產(chǎn)工藝復(fù)雜，生產(chǎn)產(chǎn)量低成本高。隨著連續(xù)熱壓爐的出現(xiàn)、產(chǎn)量低的缺點(diǎn)有所改善。但它的生產(chǎn)成本還是無法與其它工藝生產(chǎn)的碳化硅的成本競(jìng)爭(zhēng)。
與無壓燒結(jié)類似，熱壓燒結(jié)碳化硅在無燒結(jié)助劑的情況下，仍然無法得到完全致密材料。其常用的燒結(jié)助劑為B+C、B4C、Al2O3、AlN、，BN、BeO、Al等。燒結(jié)助劑種類與含量不同，所得的材料的性能也不同；此外，影響熱壓碳化硅材料燒結(jié)性能的因素還有原材料顆粒度、原材料中的α—SiC含量、熱壓壓力與溫度等因素。一般采用的熱壓溫度為1950—2300℃，壓力20—40MPa，熱壓燒結(jié)的碳化硅制品，密度高，抗彎強(qiáng)度高；但只能生產(chǎn)形狀簡(jiǎn)單的產(chǎn)品，且生產(chǎn)成本高。
熱壓燒結(jié)法與常壓燒結(jié)法的不同之處就是可將碳化硅的含量從1％到99％以任意比例配合，所以能得到連續(xù)變化的復(fù)合材料的電阻率�？墒怯捎跓釅菏菃我环较蚣訅�，所以燒結(jié)體中的粒子發(fā)生離位定向使彎曲強(qiáng)度、電阻率等物理性能有根強(qiáng)的異向性。
2.4 再結(jié)晶碳化硅
碳化硅粉料中不加添加劑, 直接將成型的毛坯在2000℃以上的溫度燒結(jié), 其主要的燒結(jié)機(jī)理為蒸發(fā)—凝聚。燒結(jié)時(shí)無體積變化，收縮很小，氣孔率較高 (20% )，強(qiáng)度較低(100M Pa)。由于在2000℃以上燒結(jié)，粉料中存在的β—SiC 將轉(zhuǎn)變?yōu)?alpha;—SiC，得到的材料具有單相性，從而具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、耐化學(xué)腐蝕性和熱穩(wěn)定性。但因其強(qiáng)度較低，僅應(yīng)用于高溫導(dǎo)電及耐火材料方面。
3 結(jié)束語
生產(chǎn)碳化硅材料的方法很多，生產(chǎn)方法不同，產(chǎn)品的性能也有很大不同。總的來看反應(yīng)燒結(jié)的優(yōu)點(diǎn)較多。其主要優(yōu)點(diǎn)有：處理溫度低，一般來講，由于碳化硅的共價(jià)鍵特性，它的燒結(jié)通常需要很高的制備溫度（〉1900℃），而反應(yīng)燒結(jié)僅需在浸滲劑的液相線以上幾十度進(jìn)行，比其他燒結(jié)工藝低數(shù)百度；可以制備大尺寸、形狀復(fù)雜的制品；由于素坯成型方法較多，而且燒結(jié)過程無需加壓，所以原則上講，制品的尺寸僅受燒結(jié)爐大小的限制，其形狀復(fù)雜程度則由其成型工藝決定；樣品處理過程中尺寸變化小且制品完全致密；制品處理時(shí)間短，不需特殊、昂貴的設(shè)備。
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