碳化硅复合陶瓷的研究现状及其应用

碳化硅复合陶瓷的研究现状及其应用

曾星华

长安大学材料科学与工程学院

摘要碳／碳化硅(C／SiC)陶瓷基复合材料是重要的热结构材料体系之一。综述了近年来发展的有关制备C／SiC陶瓷基复合材料的各种技术及其在航空航天、光学系统、空间技术、交通Z-具(刹车片、阀)、能源技术等领域的应用，并且综述了烧结助剂含量对液相烧结SiC陶瓷抗氧化性的影响、三维针刺碳/碳化硅陶瓷基复合材料及其摩擦磨损性能以及二维C/SiC复合材料的拉伸损伤演变过程和微观结构特征等最新研究成果。

关键字碳化硅陶瓷基复合材料制备技术力学性能抗氧化性液相烧结1.引言

陶瓷基复合材料（CMC)是在陶瓷基体中引入第二相材料，使之增强、增韧的多相材料，又称为多相复合陶瓷或复相陶瓷.陶瓷基复合材料是2O世纪8O年代逐渐发展起来的新型陶瓷材料，包括纤维(或晶须)增韧(或增强)陶瓷基复合材料、异相颗粒弥散强化复相陶瓷、原位生长陶瓷复合材料、梯度功能复合陶瓷及纳米陶瓷复合材料。其因具有耐高温、耐磨、抗高温蠕变、热导率低、热膨胀系数低、耐化学腐蚀、强度高、硬度大及介电、透波等特点，在有机材料基和金属材料基不能满足性能要求的情况下可以得到广泛应用，成为理想的高温结构材料。陶瓷基复合材料正是人们预计在21世纪中可替代金属及其合金的发动机热端结构的首选材料。鉴于此，许多国家都在积极开展陶瓷基复合材料的研究，大大拓宽了其应用领域，并相继研究出各种制备新技术，其中，C／SiC陶瓷基复合材料是其中一个非常重要的体系。C／SiC陶瓷基复合材料主要有两种类型，即碳纤维／碳化硅和碳颗粒／碳化硅陶瓷基复合材料。碳纤维／碳化硅陶瓷基复合材料是利用碳纤维来增强增韧SiC陶瓷，从而改善陶瓷的脆性，实现高温结构材料所必需的性能，如抗氧化、耐高温、耐腐蚀等；碳颗粒／碳化硅陶瓷基复合材料是利用碳颗粒来降低SiC陶瓷的硬度，实现结构陶瓷的可加工性能，同时具有良好的抗氧

化性、耐腐蚀、自润滑等。

本文主要综述了C／SiC陶瓷基复合材料的制备、研究现状及其成果（烧结助剂含量对其抗氧化性的影响、三维针刺碳/碳化硅陶瓷基复合材料及其摩擦磨损性能、二维C/SiC复合材料的拉伸损伤演变过程和微观结构特征等），并且从结构和功能一体化的角度，提出了采用软机械力化学法制备C与SiC复合粉体，通过无压烧结得到强度、抗氧化性、耐腐蚀等性能以满足普通民用工业用的碳颗粒／碳化硅陶瓷基复合材料的制备技术及应用前景。陶瓷基复合材料的性能与其结构紧密相关，原材料、结构和工艺不同，材料的性能也不同。构成复合材料的组分材料包括纤维、基体和界面，对于C／SiC陶瓷基复合材料而言，界面的材料和结构是影响其性能的关键。陶瓷基复合材料的性能包括物理化学性能和力学性能，物化性能主要有密度、孔隙率、线膨胀系数、热扩散系数、热导率、比热容、抗氧化等，力学性能主要有强度、模量、断裂韧性、疲劳、高温蠕变、抗热震性、耐烧蚀、摩擦耐磨性等性能。

C／SiC陶瓷基复合材的主要应用前景：刹车材料、航空航天用热结构材料（在航空发动机上的应用、在航天飞行器上的应用）、卫星反射镜用材料、核聚变第一壁、液体火箭发动机导弹端头帽及卫星窗框上等。

2.碳化硅复合陶瓷的各种制备工艺

2.1前驱体有机聚合物浸渍热解转化技术

将前驱体有机聚合物浸渍热解(裂解)转化(Polymer in—filtration pyrolysis，简称PIP)以制备陶瓷基复合材料是2O世纪7O年代至80年代发展起来的新工艺和新技术。其基本原理是：合成前驱体有机聚合物，将纤维预制体在前驱体溶液中浸渍，在一定条件下交联固化，然后在一定的温度和气氛下热解转化为陶瓷基体，经反复浸渍热解最终获得致密陶瓷基复合材料。Yajima S曾以聚碳硅烷(Polycarbosi—lane，简称PCS)为原料制备出SiC纤维，开创了有机聚合制备陶瓷的新领域。2O世纪8O年代中期掀起了对PIP技术制备陶瓷基复合材料的研究热潮，2O多年来，日本、美国、法国和中国等在PIP技术制备陶瓷基复合材料领域展开了广泛深入的研究，并取得了一些实用化的成果。简科等将先驱体聚碳硅烷与二乙烯基苯按物质的量比1:0.4配置成溶液，真空浸渍碳纤维三维编织体，120℃下交联固化6h，经过一段时间后取出，然后在氩气保护下高温热解，制得

三维编织碳纤维增强碳化硅复合材料，经过7个真空浸渍一交联固化一高温热解周期，使材料致密化，制得材料弯曲强度达到556.7MPa的C／SiC复合材料。然而，前驱体有机聚合物浸渍热分解转化技术制备的陶瓷基复合材料孔隙率高、体积变形大、工艺周期长、生产效率低、工艺成本高，不利于其推广应用。因此，有待于探讨新的制备方法，如PIP与CVI联用，不仅能够提高复合材料的致密性，而且缩短周期，提高生产效率。

2.2化学气相沉积及渗积技术

化学气相沉积技术(Chemical vapor deposition，简称CVD)是在具有贯通间隙的增强相材料(如纤维、晶须或颗粒)坯体或纤维编织体骨架中沉积陶瓷基体制备陶瓷基复合材料的方法，其工艺为纤维编织体骨架或坯体置于化学气相沉积炉内，通入沉积反应源气，在沉积温度下热解或发生反应，生成所需的陶瓷基体材料，沉积在坯体的孑L隙中，并逐步填满。化学气相沉积温度一般为1100～1500℃。如闫志巧等采用化学气相沉积法，于l100℃在碳纤维增强碳化硅复合材料表面制备SiC涂层，研究了涂层连续沉积和分4次沉积(每次沉积时间为6h)所制备的SiC涂层的微观结构和涂层样品的氧化性能。结果表明，与连续涂层样品相比，4次涂层能显著提高C／SiC样品的抗氧化性能。CVD工艺的优点是：复合材料在制备过程中纤维受到的机械损伤和化学损伤小；可以制备纤维多向排布、编织和复杂形状的制品；可用于制备组成可调的梯度功能复合材料。但CVD技术也存在不足：生产周期长，效率低，成本高；坯体中的孔隙在CVD过程中容易堵塞或形成闭孔，即使提高压强，反应源气体也无法进入，因而难以获得高致密性的复合材料。目前常见的有常压CVI、低压CVD、等离子CVD、热CVD、间隙CVD和激光CVD 等方法。

2.3溶胶一凝胶法

溶胶一凝胶(Sol—Ge1)制备技术已用于生产各种高性能陶瓷，在软化学方法中具有特殊的地位。溶胶一凝胶技术是一种由金属有机化合物、金属无机化合物或上述两者混合物经水解缩聚过程，逐渐胶化并进行相应的后处理，最终获得氧化物或其他化合物的工艺。如今它已成为研究最多、应用最广泛的制备纳米材料的化学方法之一。溶胶一凝胶法制备的复合组分纯度高、分散性好，可广泛用于制备颗粒(包括纳米粒子)／N瓷、(纤维一颗粒)／N瓷复合材料，且制得的陶瓷基

复合材料性能良好。Liedtke等采用快速溶胶一凝胶法，将碳纤维预制体经过溶胶浸渍、固化得到凝胶，然后经高温高压热分解制备C／SiC复合材料，用此法制备的C／SiC复合陶瓷的性能和可能的应用将优于商业化的产品。Gadiou等通过溶胶一凝胶法制备的碳化物涂层提高了C纤维的抗氧化性能。

2.4软机械力化学法

机械力化学技术是利用机械能诱发化学反应和诱导材料组织、结构和性能产生变化来制备新材料或对材料进行改性处理。机械力化学法与传统的技术工艺相比，具有以下优势：①减少生产阶段，简化工艺流程；②不涉及溶剂的使用及熔炼，减少了对环境的污染；③可获得用传统的工艺很难或不能获得的亚稳相产品。21世纪初，Lu等将Ti、Si、C按Ti25Si25C50的比例混合，采用机械力化学法，经过100h行星球磨后，制备出TiC-SiC复合粉体；崔晓龙等以硅粉和石油焦为原料利用机械合金化技术制备出SiC，并认为生成物是六方晶型的α—SiC。然而，硬机械力化学法在随机研磨过程中能量效率低，并对材料产生污染。但是，软机械力化学法是采用机械法将原材料进行预处理，从而降低其反应活化能，制备陶瓷复合粉体的一种方法。如Yang Yun等以C粉、Si粉、聚四氟乙烯为原料，采用机械激活(软机械力化学)燃烧合成反应法在氩气氛保护下球磨2～8h，制备出不同粒径的超细粉料，将传统的燃烧合成SiC微粉的燃烧温度从2273～3273K降低到1600～1700K，甚至更低。笔者通过试验得出，软机械力化学法是制备碳颗粒／碳化硅复合粉体行之有效的方法之一，采用该法不仅较好地改善了碳颗粒在SiC 中的分散均匀性问题，而且能够降低复合粉体的烧结温度，制备出综合性能(热稳定性、化学稳定性、可加工性等)良好的陶瓷基复合材料。

2.5液相硅浸渍法

液相硅浸渍法(简称LSI)是指在真空条件下，固体硅在1600℃下熔融成液态硅，通过多孔碳／碳坯体中气孔的毛细作用渗透到坯体内部与碳基体反应生成碳化硅基体，因此，又称反应性熔体浸渗法(Reactive melt infiltration，RMI)。通过控制硅的用量可以得到C／C-SiC复合材料或C／Si—SiC复合材料。德国宇航院曾采用反应熔体浸渗多孔C／C复合材料的方法制备了C／SiC复合材料。万玉慧等采用液相硅浸渍法制备了密度为2.31g／cm2的2D C／SiC陶瓷基复合材料，并对材料的结构和力学性能进行了研究。采用液相硅浸渍工艺可以制备大尺寸、

复杂的薄壁结构组件，工艺时间短，材料来源广泛，可以近净成型，成本较低。然而LSI工艺的不足在于制备C／SiC复合材料时，由于熔融Si与基体C发生反应的过程中,不可避免地会与碳纤维发生反应，纤维被浸蚀导致性能下降；同时，复合材料中残留有一定量的Si导致复合材料抗蠕变性能降低。

3.碳／碳化硅(C／SiC)陶瓷基复合材料研究现状及结论

3.1烧结助剂含量对其抗氧化性的影响

利用A1203和La203作为烧结助剂，存1950℃下用液相烧结技术成功制备SiC陶瓷，并在800℃下对该液相烧结SiC陶瓷进行氧化处理。用XRD、SEM等手段分析SiC陶瓷表面氧化产物相组成和微观结构的演变，并探讨SiC陶瓷氧化动力学规律。研究发现：

1)随着烧结助剂含量增加，液相烧结SiC陶瓷的致密度和弯曲强度均呈现出增加趋势。800℃氧化后，SiC陶瓷材料表面的颗粒形状趋于圆形。

2)SiC陶瓷氧化过程遵循抛物线规律，氧化反应是由扩散机制决定的。经800℃氧化后，SiC陶瓷亚表面生成一层氧化层，降低O2的渗透速率，有利于提高SiC陶瓷抗氧化性。

3.2三维针刺碳/碳化硅陶瓷基复合材料及其摩擦磨损性能

采用三维针刺的碳纤维预制体,通过化学气相渗透方法制备具有一定密度的C/C复合材料,然后采用反应熔体浸渗方法进行后续致密化处理,得到高致密度的C/SiC复合材料,系统研究了材料的组织结构特征、刹车性能以及摩擦磨损机理。在纤维束内部每根C纤维单丝之间由化学气相渗透的碳充填形成致密的C/C区域,而在纤维束之间则主要由反应熔体浸渗法生成的SiC、残留Si和C组成。C/SiC复合材料具有非常优异的摩擦磨损性能,摩擦系数变化规律呈典型的马鞍状。平均摩擦系数为0.34,摩擦性能稳定,磨损率低(1.9μm/次·面);摩擦性能几乎不受湿度的影响,湿态衰减仅为2.9%。在摩擦磨损过程中,C/SiC复合材料的表面能够形成连续稳定的摩擦面,磨损表现为典型的磨粒磨损。

3.3二维C/SiC复合材料的拉伸损伤演变过程和微观结构特征

通过单向拉伸和分段式加载–卸载实验，研究了二维编织C/SiC复合材料的宏观力学特性和损伤的变化过程。用扫描电镜对样品进行微观结构分析，并监测了载荷作用下复合材料的声发射行为。结果表明：

(1)2D C/SiC复合材料在拉伸载荷下应力–应变曲线的弹性阶段被限制在大约50MPa以下，之后表现为多阶段损伤的非线性特性。基于假想的“无残余热应力原点”，材料的拉伸行为可以理解为一种可损伤的弹性变化。计算出的平均σr 和εr分别为134.85MPa和0.16%。

(2)声发射对损伤的监测表明：声发射响应与材料中发生的损伤具有良好的对应关系，能够较好地反映材料损伤的实时变化。

(3)随着应力增加材料中的损伤主要表现为：基体开裂，横向纤维束开裂，界面层脱粘，纤维断裂，层间剥离和纤维束断裂。这些损伤导致应力–应变曲线的非线性变化和材料模量的下降。损伤因子D随应力水平的增加呈抛物线增大，累积损伤达到约45%，材料就会失效。

(4)材料的失效主要是二维交叉编织节点处的纤维束由于应力集中导致的逐层断裂和拔出。横向裂纹不同的扩展路径和偏折程度形成斜口和平口两类主要的断裂模式。裂纹扩展的路程越长，吸收的破坏能量就越多，纤维拔出也越长，断裂强度和断裂应变也越大。

4.结束语及其展望

现有的C/SiC陶瓷基复合材料的制备技术主要是用来制备碳纤维/碳化硅陶瓷基复合材料,均是先制备预制体,然后制成陶瓷基复合材料的两步法。这些技术包括前驱体有机聚合物浸渍热解转化技术、化学气相渗积技术、料浆浸渍及热压烧结法、液相硅浸渍技术、溶胶-凝胶技术等。所制备的C纤维补强增韧SiC陶瓷基复合材料主要是用作发动机热端部件,如航空发动机、液体火箭发动机及固体火箭发动机中,包括燃烧室喷管、运载火箭喷管扩张段、喉衬等。在航天飞行器上,C/SiC作为高温防热结构一体化材料已达成共识。在特殊民用领域的应用也受到关注,如燃气轮机、核聚变能源、新一代高速列车和机械行业等。因此有关碳/碳化硅陶瓷基复合材料的制备工艺以及相关性质和性能的研究有待进一步完善，从而降低生产成本,拓宽其应用范围，以便使其能更好地服务于人类社会。

5.参考文献

（1）张云龙，胡明，宋晓刚，张瑞霞，鞠成，李海涛等，烧结助剂含量对液相烧结SiC陶瓷抗氧化性的影响，Ordnance Material Science and Engineering，2011

（01）

（2）徐永东,张立同,成来飞,范尚武，等.三维针刺碳/碳化硅陶瓷基复合材料及其摩擦磨损性能.硅酸盐学报，2008（02）

（3）陆有军，王燕民，吴澜尔.碳／碳化硅陶瓷基复合材料的研究及应用进展.材料导报，2010（21）

（4）梅辉，成来飞，张立同，徐永东，孟志新，刘持栋.2维C/SiC复合材料的拉伸损伤演变过程和微观结构特征.硅酸盐学报，2007（02）

碳化硅复合陶瓷的研究现状及其应用

碳化硅复合陶瓷的研究现状及其应用 曾星华 长安大学材料科学与工程学院 摘要碳／碳化硅(C／SiC)陶瓷基复合材料是重要的热结构材料体系之一。综述了近年来发展的有关制备C／SiC陶瓷基复合材料的各种技术及其在航空航天、光学系统、空间技术、交通Z-具(刹车片、阀)、能源技术等领域的应用，并且综述了烧结助剂含量对液相烧结SiC陶瓷抗氧化性的影响、三维针刺碳/碳化硅陶瓷基复合材料及其摩擦磨损性能以及二维C/SiC复合材料的拉伸损伤演变过程和微观结构特征等最新研究成果。 关键字碳化硅陶瓷基复合材料制备技术力学性能抗氧化性液相烧结1.引言 陶瓷基复合材料（CMC)是在陶瓷基体中引入第二相材料，使之增强、增韧的多相材料，又称为多相复合陶瓷或复相陶瓷.陶瓷基复合材料是2O世纪8O年代逐渐发展起来的新型陶瓷材料，包括纤维(或晶须)增韧(或增强)陶瓷基复合材料、异相颗粒弥散强化复相陶瓷、原位生长陶瓷复合材料、梯度功能复合陶瓷及纳米陶瓷复合材料。其因具有耐高温、耐磨、抗高温蠕变、热导率低、热膨胀系数低、耐化学腐蚀、强度高、硬度大及介电、透波等特点，在有机材料基和金属材料基不能满足性能要求的情况下可以得到广泛应用，成为理想的高温结构材料。陶瓷基复合材料正是人们预计在21世纪中可替代金属及其合金的发动机热端结构的首选材料。鉴于此，许多国家都在积极开展陶瓷基复合材料的研究，大大拓宽了其应用领域，并相继研究出各种制备新技术，其中，C／SiC陶瓷基复合材料是其中一个非常重要的体系。C／SiC陶瓷基复合材料主要有两种类型，即碳纤维／碳化硅和碳颗粒／碳化硅陶瓷基复合材料。碳纤维／碳化硅陶瓷基复合材料是利用碳纤维来增强增韧SiC陶瓷，从而改善陶瓷的脆性，实现高温结构材料所必需的性能，如抗氧化、耐高温、耐腐蚀等；碳颗粒／碳化硅陶瓷基复合材料是利用碳颗粒来降低SiC陶瓷的硬度，实现结构陶瓷的可加工性能，同时具有良好的抗氧

碳化硅的应用

碳化硅 碳化硅，又称为金钢砂或耐火砂，英文名Silicon Carbide，分子式SiC。 纯碳化硅是无色透明的晶体。工业碳化硅因所含杂质的种类和含量不同，而呈浅黄、绿、蓝乃至黑色，透明度随其纯度不同而异。碳化硅晶体结构分为六方或菱面体的α-SiC和立方体的β-SiC(称立方碳化硅)。α-SiC由于其晶体结构中碳和硅原子的堆垛序列不同而构成许多不同变体，已发现70余种。β-SiC于2100℃以上时转变为α-SiC。绿色至蓝黑色。介电常数7。硬度9Mobs。A-是半导体。迁移率(300 K), cm2 / (VS),400电子和50空穴，谱带间隙eV，303(0 K)和2.996(300 K)；有效质量0.60电子和1.00空穴，电导性，耐高温氧化性能。相对密度3.16。熔点2830℃。导热系数(500℃)22. 5 , (1000℃)23.7 W / (m2K)。热膨胀系数：线性至100℃：5.2×10-6/ ℃，不溶于水、醇；溶于熔融碱金属氢氧化物。 碳化硅是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑(生产绿色碳化硅时需要加食盐)等原料在电阻炉内经高温冶炼而成。目前我国工业生产的碳化硅分为黑色碳化硅和绿色碳化硅两种，均为六方晶体，比重为3.20～3.25，显微硬度为2840～3320kg/mm2。碳化硅为晶体，硬度高，切削能力较强，化学性能力稳定，导热性能好。 黑碳化硅是以石英砂，石油焦和优质硅石为主要原料,通过电阻炉高温冶炼而成。其硬度介于刚玉和金刚石之间,机械强度高于刚玉,性脆而锋利。绿碳化硅是以石油焦和优质硅石为主要原料,添加食盐作为添加剂，通过电阻炉高温冶炼而成。其硬度介于刚玉和金刚石之间，机械强度高于刚玉。常用的碳化硅磨料有两种不同的晶体，一种是绿碳化硅，含SiC 97%以上，主要用于磨硬质含金工具。另一种是黑碳化硅，有金属光泽，含SiC 95%以上，强度比绿碳化硅大，但硬度较低，主要用于磨铸铁和非金属材料。 碳化硅的用途是十分广泛的，目前主要是用作磨料和耐火材料，这两项用途占了碳化硅产量中的大部分。通常磨料用的颗粒粒级很窄，反之耐火材料不同。下面分几个方面介绍碳化处的主要用途。 一、磨料 由于碳化硅具有很高的硬度、化学稳定性和一定的韧性，所以是一种用途很广的磨料，可用以制造砂轮、油石、涂附磨具或自由研磨。它主要是用于研磨玻璃、陶瓷、石材等非金属材料、铸铁及某些非铁金属，它与这些材料之间的反应性很弱。由于它是普通废料中硬度最高的材料，所以包常用以加工硬质合金、钛合金、高速钢刀具等难磨材料及修正砂轮用。碳化硅硬度仅次于金刚石，具有较强的耐磨性能，是耐磨管道、叶轮、泵室、旋流器，矿斗内衬的理想材料，其耐磨性能是铸铁、橡胶使用寿命的5~20倍，也是航空飞行跑道的理想材料之一。 其中黑色碳化硅和绿色碳化硅的应用也有所差别。黑碳化硅制成的磨具，多用于切割和研磨抗张强度低的材队如玻璃、陶瓷、石料和耐火物氯同时也用于铸铁零件和有色金属材料的磨削。绿碳化硅制成的磨具，多用于硬质合金、钦合金、光学玻璃的磨削，同时也用于缸缸和高速钢刀具的精磨。 由于其优良的耐磨性，碳化硅在冶金选矿行业中也有应用。参见《碳化硅在选矿工艺中的应用》。 二、耐火材料和耐腐蚀材料 这一用途是由于它的高熔点(分解温度)、化学惰性和抗热震性。日前生产碳化硅耐火材料的主要方法包括压制和烧结碳化硅、压制和再结晶碳化硅、浇注和再结晶碳化硅、碳化硅

碳化硅陶瓷的发展与应用

碳化硅陶瓷的发展与应用 1073112 王苗 摘要：碳化硅陶瓷以其优异的抗热震、耐高温、抗氧化和耐化学腐蚀等特性而广泛地应用于石油、化学、汽车、机械和宇航等工业领域中，并日益引起人们的重视。本文对各种SiC 陶瓷的制备方法、性能特点及其应用现状进行了综合评述。 关键词：碳化硅陶瓷发展与应用 Abstract: Silicon carbide ceramics have been widely used in petroleum, chemical, automotive，mechanical and aerospace industries because of their excellent resistance to thermal shock, high temperatures, oxidation and chemical corrosion. In this paper, the fabricating methods, mechanical properties and current applications of various SiC ceramics are revicwed. Key Words: SiC Ceramics Development and Application 1 前言 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。 本文首先对SiC 的基本性质及SiC粉末的合成方法进行了简单介绍, 接着重点综述了SiC陶瓷的性能特点, 最后对SiC陶瓷的应用现状与未来发展进行了概括和分析。 2 碳化硅的基本特性 2.1、化学属性 抗化合性：碳化硅材料在氧气中反应温度达到1300℃时，在其碳化硅晶体表层已经生成二氧化硅保护层。随着保护层的加厚，抵制了里面碳化硅继续被化合，这使碳化硅有较好的抗化合性。当气温达到1900K(1627℃)以上时，二氧化硅保护膜已经被破坏，碳化硅化合效应加重，从而1900K是碳化硅在氧化剂氛围下的最高工作气温。 耐酸碱性：在耐酸、碱及化合物的效用方面，因为二氧化硅保护膜的效用，碳化硅的抗酸能力非常非常强，抗碱性稍差。 2.2、物理性能 密度：各样碳化硅晶形的颗粒密度十分相近，通常情况下，应该是3.20 g/ m m3，其碳化硅磨料的堆砌密度在1.2--1.6 g/ m m3之间，其高矮取决于其粒度号、粒度合成和颗粒形状的大小。 硬度：碳化硅的硬度为：莫氏9.5级。单晶硅的硬度为：莫氏7级。多晶硅的硬度为：莫氏7级。都是硬度相对较高的物料。努普硬度为2670—2815公斤/毫米，在磨料中高于刚玉而仅次于金刚石、立方氮化硼和碳化硼。 导热率：碳化硅制品的导热率非常高，热膨胀参数小，抗热震性非常高，是优质的耐火材料。 2.3、电学属性 恒温下工业碳化硅是一种半导体，属杂质导电性。高纯度碳化硅随着气温的升高内阻率降低，含杂质碳化硅按照其含杂质不一样，导电性能也不一样。

陶瓷基复合材料论文 (1)

陶瓷基复合材料在航天领域的应用 概念：陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料。陶瓷基体可为氮化硅、碳化硅等高温结构陶瓷。这些先进陶瓷具有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能，而其致命的弱点是具有脆性，处于应力状态时，会产生裂纹，甚至断裂导致材料失效。而采用高强度、高弹性的纤维与基体复合，则是提高陶瓷韧性和可靠性的一个有效的方法。纤维能阻止裂纹的扩展，从而得到有优良韧性的纤维增强陶瓷基复合材料。陶瓷基复合材料具有优异的耐高温性能，主要用作高温及耐磨制品。其最高使用温度主要取决于基体特征。 一、陶瓷基复合材料增强体 用于复合材料的增强体品种很多，根据复合材料的性能要求，主要分为以下几种 纤维类增强体 纤维类增强体有连续长纤维和短纤维。连续长纤维的连续长度均超过数百。纤维性能有方向性，一般沿轴向均有很高的强度和弹性模量。 颗粒类增强体 颗粒类增强体主要是一些具有高强度、高模量。耐热、耐磨。耐高温的陶瓷等无机非金属颗粒，主要有碳化硅、氧化铝、碳化钛、石墨。细金刚石、高岭土、滑石、碳酸钙等。主要还有一些金属和聚合物颗粒类增强体，后者主要有热塑性树脂粉末 晶须类增强体

晶须是在人工条件下制造出的细小单晶，一般呈棒状，其直径为~1微米，长度为几十微米，由于其具有细小组织结构，缺陷少，具有很高的强度和模量。 金属丝 用于复合材料的高强福、高模量金属丝增强物主要有铍丝、钢丝、不锈钢丝和钨丝等，金属丝一般用于金属基复合材料和水泥基复合材料的增强，但前者比较多见。 片状物增强体 用于复合材料的片状增强物主要是陶瓷薄片。将陶瓷薄片叠压起来形成的陶瓷复合材料具有很高的韧性。 二、陶瓷基的界面及强韧化理论 陶瓷基复合材料(CMC)具有高强度、高硬度、高弹性模量、热化学稳定性等优异性能，被认为是推重比10以上航空发动机的理想耐高温结构材料。界面作为陶瓷基复合材料重要的组成相，其细观结构、力学性能和失效规律直接影响到复合材料的整体力学性能，因此研究界面特性对陶瓷基复合材料力学性能 的影响具有重要的意义。 界面的粘结形式 （1）机械结合（2）化学结合 陶瓷基复合材料往往在高温下制备，由于增强体与基体的原子扩散，在界面上更易形成固溶体和化合物。此时其界面是具有一定厚度的反应区，它与基体和增强体都能较好的

碳化硅陶瓷生产工艺_碳化硅陶瓷烧结方法

碳化硅陶瓷生产工艺_碳化硅陶瓷烧结方法 21世纪是信息化时代，但很多人都开始了传统的生活，注意养生，比如想要逃离城市，进入乡村，因为乡下的空气好；又比如不再吃大鱼大肉，而是吃起了野菜。那么传统的陶瓷自然也受到人们的喜爱了。碳化硅陶瓷生产工艺是什么，碳化硅陶瓷烧结方法有哪些，碳化硅扰动喷嘴清洗剂哪种好，这就是今天小编带来的问题内容。 碳化硅陶瓷-生产工艺 碳化硅陶瓷主要组成物是SiC，这是一种高强度、高硬度的耐高温陶瓷，在1200℃~1400℃使用仍能保持高的抗弯强度，是目前高温强度高的陶瓷，碳化硅陶瓷还具有良好的导热性、抗氧化性、导电性和高的冲击韧度。是良好的高温结构材料，可用于火箭尾喷管喷嘴、热电偶套管、炉管等高温下工作的部件；利用它的导热性可制作高温下的热交换器材料；利用它的高硬度和耐磨性制作砂轮、磨料等。 SiC具有很高的抗氧化性，因为在体材料的氧化过程中会在氧化界面形成SiO2层，从而阻止了氧化

的进行化学方程式：2SiC+3O2=2SiO2+2CO（好的稳定性就包括化学稳定强和物理稳定性强，化学稳定性强包含抗氧化、 耐腐蚀，物理稳定性主要 指热膨胀系数低、抗弯强 度高、耐高温，不容易受 温差和外部环境影响。） 力学性能 陶瓷材料是工程材料中刚 度好、硬度高的材料，其 硬度大多在1500HV以上。 陶瓷的抗压强度较高，但 抗拉强度较低，塑性和韧 性很差。 热性能 陶瓷材料一般具有高的熔点（大多在2000℃以上），且在高温下具有好的化学稳定性；同时陶瓷的线膨胀系数比金属低，当温度发生变化时，陶瓷具有良好的尺寸稳定性。 电性能 陶瓷散热片具有良好的电绝缘性，绝缘阻抗为10GΩ（吉欧） 化学性能 陶瓷材料在高温下不易氧化，因为在体材料的氧化过程中会在氧化界面形成SiO2层，从而阻止了氧化的进行。化学方程式：2SiC+3O2=2SiO2+2CO，并对酸、碱、盐具有良好的抗腐蚀能力。碳化硅扰动喷嘴-清洗剂如何选择 1、碳化硅喷嘴清洗剂应不产生影响清洁过程及现场卫生的泡沫和异味。 2、清洗剂清洁污垢的速度要快要彻底。

碳化硅陶瓷及制备工艺

碳化硅陶瓷性能及制造工艺 碳化硅（SiC）陶瓷，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。因此，已经在石油、化工、机械、航天、核能等领域大显身手，日益受到人们的重视。例如，SiC陶瓷可用作各类轴承、滚珠、喷嘴、密封件、切削工具、燃汽涡轮机叶片、涡轮增压器转子、反射屏和火箭燃烧室内衬等等。 SiC陶瓷的优异性能与其独特结构密切相关。SiC是共价键很强 的化合物，SiC中Si-Ｃ键的离子性仅１２％左右。因此，SiC强度高、弹性模量大，具有优良的耐磨损性能。纯SiC不会被ＨＣｌ、ＨＮＯ３、Ｈ２ＳＯ４和ＨＦ等酸溶液以及ＮａＯＨ等碱 溶液侵蚀。在空气中加热时易发生氧化，但氧化时表面形成的 ＳｉＯ２会抑制氧的进一步扩散，故氧化速率并不高。在电性 能方面，SiC具有半导体性，少量杂质的引入会表现出良好的导电性。此外，SiC还有优良的导热性。 SiC具有α和β两种晶型。β－SiC的晶体结构为立方晶系，Si和Ｃ分别组成面心立方晶格；α－SiC存在着４Ｈ、１５Ｒ和６Ｈ等１００余种多型体，其中，６Ｈ多型体为工业应用上最为普遍的一种。在

SiC的多种型体之间存在着一定的热稳定性关系。在温度低于１６００℃时，SiC以β－SiC形式存在。当高于１６００℃时，β－SiC缓慢转变成α－SiC的各种多型体。４Ｈ－SiC在２０００℃左右容易生成；１５Ｒ和６Ｈ多型体均需在２１００℃以上的高温才易生成；对于６Ｈ－SiC，即使温度超过２２００℃，也是非常稳定的。SiC中各种多型体之间的自由能相差很小，因此，微量杂质的固溶也会引起多型体之间的热稳定关系变化。 现就SiC陶瓷的生产工艺简述如下： 一、SiC粉末的合成： SiC在地球上几乎不存在，仅在陨石中有所发现，因此，工业上应用的SiC粉末都为人工合成。目前，合成SiC粉末的主要方法有：１、Ａｃｈｅｓｏｎ法： 这是工业上采用最多的合成方法，即用电将石英砂和焦炭的混合物加热至２５００℃左右高温反应制得。因石英砂和焦炭中通常含有Ａｌ和Ｆｅ等杂质，在制成的SiC中都固溶有少量杂质。其中，杂质少的呈绿色，杂质多的呈黑色。 ２、化合法： 在一定的温度下，使高纯的硅与碳黑直接发生反应。由此可合

陶瓷的研究现状与发展展望

陶瓷的研究现状与发展展望 陶瓷材料是用天然或合成化合物经过成形和高温烧结制成的一类无机非金属材料.它具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等优点.可用作结构材料、刀具材料,由于陶瓷还具有某些特殊的性能,又可作为功能材料. 分类: 普通陶瓷材料 采用天然原料如长石、粘土和石英等烧结而成,是典型的硅酸盐材料,主要组成元素是硅、铝、氧,这三种元素占地壳元素总量的90%,普通陶瓷来源丰富、成本低、工艺成熟.这类陶瓷按性能特征和用途又可分为日用陶瓷、建筑陶瓷、电绝缘陶瓷、化工陶瓷等. 特种陶瓷材料 采用高纯度人工合成的原料,利用精密控制工艺成形烧结制成,一般具有某些特殊性能,以适应各种需要.根据其主要成分,有氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、金属陶瓷等；特种陶瓷具有特殊的力学、光、声、电、磁、热等性能.本节主要介绍特种陶瓷. 编辑本段性能特点力学性能 陶瓷材料是工程材料中刚度最好、硬度最高的材料,其硬度大多在1500HV以上.陶瓷的抗压强度较高,但抗拉强度较低,塑性和韧性很差. 热性能 陶瓷材料一般具有高的熔点（大多在2000℃以上）,且在高温下具有极好的化学稳定性；陶瓷的导热性低于金属材料,陶瓷还是良好的隔热材料.同时陶瓷的线膨胀系数比金属低,当温度发生变化时,陶瓷具有良好的尺寸稳定性. 电性能 大多数陶瓷具有良好的电绝缘性,因此大量用于制作各种电压（1kV~110kV）的绝缘器件.铁电陶瓷（钛酸钡BaTiO3）具有较高的介电常数,可用于制作电容器,铁电陶瓷在外电场的作用下,还能改变形状,将电能转换为机械能（具有压电材料的特性）,可用作扩音机、电唱机、超声波仪、声纳、医疗用声谱仪等.少数陶瓷还具有半导体的特性,可作整流器. 化学性能 陶瓷材料在高温下不易氧化,并对酸、碱、盐具有良好的抗腐蚀能力. 光学性能 陶瓷材料还有独特的光学性能,可用作固体激光器材料、光导纤维材料、光储存器等,透明陶瓷可用于高压钠灯管等.磁性陶瓷（铁氧体如：MgFe2O4、CuFe2O4、Fe3O4）在录音磁带、唱片、变压器铁芯、大型计算机记忆元件方面的应用有着广泛的前途. 编辑本段常用特种陶瓷材料 根据用途不同,特种陶瓷材料可分为结构陶瓷、工具陶瓷、功能陶瓷. 1．结构陶瓷 氧化铝陶瓷主要组成物为Al2O3,一般含量大于45%.氧化铝陶瓷具有各种优良的性能.耐高温,一般可要1600℃长期使用,耐腐蚀,高强度,其强度为普通陶瓷的2~3倍,高者可达5~6倍.其缺点是脆性大,不能接受突然的环境温度变化.用途极为广泛,可用作坩埚、发动机火花塞、高温耐火材料、热电偶套管、密封环等,也可作刀具和模具. 氮化硅陶瓷主要组成物是Si3N4,这是一种高温强度高、高硬度、耐磨、耐腐蚀并能自润

碳化硅陶瓷 论文

新型功能材料 专业化学类 班级应化1101 学生郭珊 学号20110222056 小组成员丁超凡付文静韩丹丹韩双任课教师李村成 平时成绩 论文成绩 课程成绩

课程论文要求 结合自己学习兴趣，通过小组调研，查阅相关资料，撰写一篇与新型功能材料有关的课程论文。 论文要求：1.论文题目科学规范，调研方向具体明确、题目不能过大；2.字数要在5000字左右（不计参考文献）；3.论文撰写要使用自己的语言，要有自己见解及评论，不能拷贝、翻译；4.文字简练，层次分明，逻辑性强，条理清晰，引用数据准确、真实、可靠，结论明确；5.文中涉及的图表需自己画；6.引用的参考文献需在文中用数字标出并在文后列出; 7. 量和单位必须采用中华人民共和国的国家标准GB3100~GB3102-93； 8. 字体及格式统一要求：论文标题用居中加粗宋体三号字；小标题用加粗宋体小四号字；图表说明用居中宋体五号字；正文及引用文献用宋体小四号字（英文和数字用Times New Roman）；1.25倍行距，A4纸，上、下、左、右页边距均为2.5 cm；9. 提交论文双面打印。 本课程成绩评定说明： 该课程总成绩由平时成绩与课程论文成绩两部分组成，其中平时考勤、课堂表现、课堂报告等成绩占总成绩50%；课程论文成绩占总成绩的50 %。 平时成绩与课程论文成绩均按满分100分评定。

新型陶瓷-碳化硅陶瓷制备技术及应用 摘要：阐述了碳化硅陶瓷的制备技术及应用，介绍了SiC粉末的合成方法（如Acheson法、化合法、热分解法、气相反相法）、SiC的烧结方法（如无压烧结、热压烧结、热等静压烧结、反应烧结）、反应烧结碳化硅的成型工艺（如模压成型、等静压成型、注浆成型）以及碳化硅陶瓷在各个方面的广泛应用，并展望了碳化硅陶瓷的发展应用前景。 关键词：新型陶瓷；碳化硅陶瓷；SiC粉末合成；SiC烧结；成型工艺 一、引言 传统陶瓷是用天然或人工合成的粉状化合物，经过成型和高温烧结制成的，由无机化合物构成的多相固体材料。新型陶瓷以精致的高纯天然无机物或人工合成的无机化合物为原料，采用精密控制的加工工艺烧结，具有优异的性能。在各个方面，新型陶瓷和传统陶瓷有诸多的不同之处。 在原料使用上方面，新型陶瓷突破传统陶瓷以黏土为主，使用精选或提纯的氧化物、硅化物、氮化物、硼化物等原料。成分方面，传统陶瓷的组成与黏土的成分相关，不同产地料对产品组成与结构影响很大；新型陶瓷原料是提纯化合物，性质由原料的纯度和制备工艺决定，与产地原料无关。在制备工艺方面，传统陶瓷以窑炉为主；新型陶瓷用真空烧结、气氛烧结、热压、热静压等手段实现。在性能与用途方面，传统陶瓷体现日常应用；新型陶瓷具有高强度、高硬度、耐磨、耐蚀、感应性等特殊性能、使用在特殊场合,在高温,机械电子计算机航天医学工程广泛应用。 依据材料功能，新型陶瓷分类如表一： 表一新型陶瓷分类

碳化硅陶瓷

碳化硅工艺流程 碳化硅（SiC）陶瓷，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。因此，已经在石油、化工、机械、航天、核能等领域大显身手，日益受到人们的重视。例如，SiC陶瓷可用作各类轴承、滚珠、喷嘴、密封件、切削工具、燃汽涡轮机叶片、涡轮增压器转子、反射屏和火箭燃烧室内衬等等。 SiC陶瓷的优异性能与其独特结构密切相关。SiC是共价键很强的化合物，SiC中Si-C键的离子性仅12％左右。因此，SiC强度高、弹性模量大，具有优良的耐磨损性能。纯SiC 不会被HCl、HNO3、H2SO4和HF等酸溶液以及NaOH等碱溶液侵蚀。在空气中加热时易发生氧化，但氧化时表面形成的SiO2会抑制氧的进一步扩散，故氧化速率并不高。在电性能方面，SiC具有半导体性，少量杂质的引入会表现出良好的导电性。此外，SiC还有优良的导热性。 SiC具有α和β两种晶型。β－SiC的晶体结构为立方晶系，Si和C分别组成面心立方晶格；α－SiC存在着4H、15R和6H等100余种多型体，其中，6H多型体为工业应用上最为普遍的一种。在SiC的多种型体之间存在着一定的热稳定性关系。在温度低于1600℃时，SiC以β－SiC形式存在。当高于1600℃时，β－SiC缓慢转变成α－SiC的各种多型体。4H－SiC在2000℃左右容易生成；15R和6H多型体均需在2100℃以上的高温才易生成；对于6H－SiC，即使温度超过2200℃，也是非常稳定的。SiC中各种多型体之间的自由能相差很小，因此，微量杂质的固溶也会引起多型体之间的热稳定关系变化。 现就SiC陶瓷的生产工艺简述如下： 一、SiC粉末的合成： SiC在地球上几乎不存在，仅在陨石中有所发现，因此，工业上应用的SiC粉末都为人工合成。目前，合成SiC粉末的主要方法有： 1、Acheson法： 这是工业上采用最多的合成方法，即用电将石英砂和焦炭的混合物加热至2500℃左右高温反应制得。因石英砂和焦炭中通常含有Al和Fe等杂质，在制成的SiC中都固溶有少量杂质。其中，杂质少的呈绿色，杂质多的呈黑色。 2、化合法：

碳化硅的制备与应用

目录 摘要 (1) 关键字 (1) 1碳化硅的合成与制备 (1) 2SiC陶瓷的主要应用领域 (3) 3结束语 (5) 参考书目 (5)

碳化硅陶瓷的制备与应用 摘要：碳化硅陶瓷材料由于抗氧化性强、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，广泛的应用于各个领域。本文通过对碳化硅陶瓷材料的的发展历程，特性及国内外研究状况提出了几种碳化硅陶瓷的烧结方法，并讨论其发展趋势。 关键词：碳化硅；合成与制备；烧结；应用； 1、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1.5×10-10和2.5×10-13cm2/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。本制件采用Al-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Al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。 1.1 碳化硅陶瓷的无压烧结 无压烧结被认为是SiC烧结最有前途的烧结方法，通过无压烧结工艺可以制备出复杂形状和大尺寸的SiC部件。根据烧结机理的不同，无压烧结又可分为固 的β-SiC可通过添加B和C进行常压烧结，这相烧结和液相烧结。对含有微量SiO 2 种方法可明显改善SiC的烧结动力学。掺杂适量的B，烧结过程中B处于SiC晶界上，部分与SiC形成固溶体，从而降低了SiC的晶界能。掺杂适量的游离C对固相烧结 生成，加入的适量C有助于使SiC表有利，因为SiC表面通常会被氧化有少量SiO 2 面上的SiO 膜还原除去，从而增加了表面能。然而#对液相烧结会产生不利影响， 2 因为C会与氧化物添加剂反应生成气体，在陶瓷烧结体内形成大量的开孔,影响致密化进程。SiC的烧结工艺中，原料的纯度、细度、相组成十分重要。S.Proehazka 通过在超细β-SiC粉体（含氧量小于2%）中同时加入适量B和C的方法，在2020℃下常压烧结成密度高于98%的SiC烧结体。但SiC-B-C系统属于固相烧结的范畴，需要的烧结温度较高，并且断裂韧性较低，断裂模式为典型的穿晶断裂，晶粒粗大且均匀性差。国外对SiC的研究焦点主要集中于液相烧结上，即以一定数量的

碳化硅陶瓷

碳化硅陶瓷 碳化硅陶瓷具有密度小．弹性模量大，热导率高，热膨胀系数低．抗热震性好，抗氧化性好，高温强度大，耐腐蚀等独特性能，这使得它有广泛的应用：其一，它可用于高温结构材料如发动机部件汽轮机叶片；其二，它可用于航空航天领域中的结构材料．由于它的高弹性模量和低密度决定了它具有很高的比刚度；其三，一些碳化硅陶瓷还可用于电子封装材料，由于它的热膨胀系数可以与S i ，G a A s相匹配；其四，由于碳和硅具有较低的原子序数，碳化硅可以用作原子反应堆的结构材料。 1 碳化硅陶瓷的烧结方法 SiC由于其共价键结合的特点，烧结时的扩散速率相当低，据J ．D．H o n g等的研究结果，即使在21 0 0 ℃的高温， C和 Si 的自扩散系数也仅为1.5×1 0 -10和 2 .5×1 0-13c m2／s 。所以 SiC 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。目前制备 S i C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。 1 ． 1 无压烧结 无压烧结被认为是 S i C烧结最有前途的烧结方法，通过无压烧结工艺可以制备出复杂形状和大尺寸的 SiC部件。根据烧结机理的不同，无压烧结又可分为固相烧结和液相烧结。对含有微量 SiO2的β—S i C可通过掭加B和C进行常压烧结，这种方法可明显改

善S i C的烧结动力学。掺杂适量的B，烧结过程中B处于SiC晶界上，部分与SiC形成固溶体，从而降低了SiC的晶界能。掺杂适量的游离C对固相烧结有利，因为 S iC表面通常会被氧化有少量SiO2生成，加入的适量C有助于使 S i C表面上的 SiO2膜还原除去，从而增加了表面能。然而C对液相烧结会产生不利影响，因为C会与氧化物添加剂反应生成气体，在陶瓷烧结体内形成大量的开孔，影响致密化进程。SiC的烧结工艺中，原料的纯度、细度、相组成十分重要。S . Proehazka通过在超细β—SiC粉体(含氧量小于0. 2％) 中同时加人适量 B和C的方法，在 20 2 0 ℃下常压烧结成密度高于 9 8 ％的 SiC烧结体。但 S i C—B—C 系统属于固相烧结的范畴，需要的烧结温度较高，并且断裂韧性较低，断裂模式为典型的穿晶断裂，晶粒粗大且均匀性差。 国外对 S i C的研究焦点主要集中于液相烧结上，即以一定数量的烧结助剂，在较低的温度下实现SiC致密化。SiC的液相烧结相对于固相烧结，不仅烧结温度有所降低，微观结构也改善了，因而烧结体的性能也较固相烧结体有所提高。 1 . 2 热压烧结 SiC的共价键很强，致使烧结时的体积和晶界扩散速率相当低；SiC晶粒表面的 SiO2薄膜，同时也起到了扩散势垒的作用。因此不使用添加剂或高压力，将SiC烧结到高的密度是相当困难的。J.S. Nadeau指出，不添加任何烧结助剂，纯SiC只有在极高的温度(2500℃)下才能烧结致密，于是不少人对SiC实行热压烧结工艺。关于添加烧

碳化硅陶瓷

太原工业学院 2015/2016学年第一学期 《特种陶瓷》课程论文 题目：碳化硅陶瓷的工艺与发展方向 班级： 122073219 姓名：刘鑫泽 学号： 19

1 前言 随着科技的发展，人们迫切需要开发各种新型高性能结构材料。碳化硅陶瓷由于具有多种良好的的性能，已经在许多领域大显身手，并且已经收到人们的高度重视。 2 晶体结构 SiC是共价键很强的化合物，SiC中 Si-C键的离子性仅12%左右。 SiC具有α和β两种晶型。β- SiC的晶体结构为闪锌矿晶体结构立方晶系，Si和 C 分别组成面心立方晶格；α-SiC纤锌矿型结构，六方晶系。存在着4H、15R和6H等100余种多型体，其中， 6H多型体为工业应用上最为普遍的一种。在温度低于1600℃时，SiC以β-SiC形式存在。当高于1600℃时，β- SiC缓慢转変成α-SiC的各种多型体。4H- SiC在2000℃左右容易生成；15R和6H多型体均需在2100℃以上的高温才易生成；对于6H- SiC，即使温度.超过2200℃，也是非常稳定的。SiC中各种多型体之间的自由能相差很小，因此，微量杂质的固溶也会引起多型体之间的热稳定关系变化。[1] 3 性能与应用 3.1 性能 (1)SiC陶瓷化学稳定性好、抗氧化性强。 (2)硬度高，耐磨性能好。 (3)SiC具有宽的能带间隙。 (4)优良的导电性。 (5)热稳定性好，高温强度大。 (6)热膨胀系数小、热导率大以及抗热振和耐化学腐蚀等。[4] 3.2 应用 碳化硅的最大特点是高温强度高，有很好的耐磨损、耐腐蚀、抗蠕变性能，其热传导能力很强，仅次子氧化铍陶瓷。碳化硅陶瓷用于制造火箭喷嘴、浇注金属的喉管、热电偶套管、炉管、燃气轮机叶片及轴承、泵的密封圈、拉丝成型模

陶瓷基复合材料(CMC).

第四节 陶瓷基复合材料（CMC） 1.1概述 工程中陶瓷以特种陶瓷应用为主，特种陶瓷由于具有优良的综合机械性能、耐磨性好、硬度高以及耐腐蚀件好等特点，已广泛用于制做剪刀、网球拍及工业上的切削刀具、耐磨件、 发动机部件、热交换器、轴承等。陶瓷最大的缺点是脆性大、抗热震性能差。与金属基和聚合物基复合材料有有所不同的，是制备陶瓷基复合材料的主要目的之一就是提高陶瓷的韧性。特别是纤维增强陶瓷复合材料在断裂前吸收了大量的断裂能量，使韧性得以大幅度提高。表6—1列出了由颗粒、纤维及晶须增强陶瓷复合材料的断裂韧性和临界裂纹尺寸大小的比较。很明显连续纤维的增韧效果最佳，其次为品须、相变增韧和颗粒增韧。无论是纤维、晶须还是颗粒增韧均使断裂韧性较整体陶瓷的有较大提高，而且也使临界裂纹尺寸增大。

陶瓷基复合材料的基体为陶瓷，这是一种包括范围很广的材料，属于无机化合物纳构远比金属与合金复杂得多。使用最多的是碳化硅、氮化硅、氧化铝等，它们普遍具有耐高温、耐腐蚀、高强度、重量轻和价格低等优点。陶瓷材料中的化学键往注是介于离子键与共价键之间的混合键。 陶瓷基复合材料中的增强体通常也称为增韧体。从几何尺寸上可分为纤维(长、短纤维)、晶须和颗粒三类。碳纤维是用来制造陶瓷基复合材料最常用的纤

维之一。碳纤维主要用在把强度、刚度、重量和抗化学性作为设计参数的构件，在1500霓的温度下，碳纤维仍能保持其性能不变，但对碳纤维必须进行有效的保护以防止它在空气中或氧化性气氛中被腐蚀，只有这样才能充分发挥它的优良性能。其它常用纤维是玻璃纤维和硼纤维。陶瓷材料中另一种增强体为晶须。晶须为具有一定长径比(直径o 3。1ym，长30—lMy”)的小单晶体。从结构上看，晶须的特点是没有微裂纹、位偌、孔洞和表面损伤等一类缺陷，而这些缺陷正是大块晶体中大量存在且促使强度下降的主要原因。在某些情况下，晶须的拉伸强度可达o．1Z(Z为杨氏模量)，这已非常接近十理论上的理想拉伸强度o．2Z。而相比之下．多晶的金属纤维和块状金属的拉伸强度只有o．025和o．o01f。在陶瓷基复合材料使用得较为普遍的是SiC、Al2O3、以及Si3N4N晶须。颗粒也是陶瓷材料中常用的一种增强体，从几何尺寸上看、它在各个方向上的长度是大致相同的，—般为几个微米。通常用得较多的颗粒也是SiC、Al2O3、以及Si3N4N。颗粒的增韧效果虽不如纤维和晶须，但如恰当选择颗粒种类、粒径、含量及基体材料，仍可获得一定的韧化效果，同时还会带来高温强度，高温蠕变性能的改善。所以，颗粒增韧复合材料同样受到重视并对其进行了一定的研究。 在陶瓷材料中加入第二相纤维制成的复合材料是纤维增强陶瓷基复合材料，这是改善陶瓷材料韧性酌重要手段，按纤维排布方式的不同，又可将其分为单向排布长纤维复合材料和多向排布纤维复合材料。单向排布纤维增韧陶瓷基复合材料的显著特点是它具有各向异性，即沿纤维长度方向上的纵向性能要大大高于其横向性能。在这种材料中，当裂纹扩展遇到纤维时会受阻．这样要使裂纹进一步扩展就必须提高外加应力。图7—15为这一过程的示意图。当外加应力进一步提高时．由于基体与纤维间的界面的离解，同时又由于纤维的强度高于基体的强

碳化硅陶瓷的发展情况

碳化硅陶瓷的发展情况 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。 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。 由于碳化硅陶瓷的高性能和在工业领域中的广泛应用，SiC的烧结一直是材料界研究的热点，如何采用较简单的生产工艺在较低的温度下制备得到高致密度的碳化硅陶瓷制品也是研究者一直关心的课题；但由于碳化硅是一种共价性极强的共价键化合物，即使在2100℃的高温下，C和Si的自扩散系数也仅为1.5×10-10和2.5×10-13 cm2/s。所以SiC很难烧结，必须借助烧结助剂或外部压力才可能在2000℃以下实现致密化。 1、无压烧结 常压烧结被认为是SiC烧结最有前途的烧结方法,通过常压烧结工艺可以制备出大尺寸和复杂形状的SiC陶瓷制品。美国GE公司通过在含微量氧(含氧量小于0.2%)高纯度的β- SiC中添加硼和碳,在2000℃以上,惰性气氛中烧结,在2020℃下成功得到密度高于98 %的碳化硅烧结体。中科院上海硅酸盐研究所采用

碳化硅陶瓷工艺流程

碳化硅（SiC）陶瓷，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。因此，已经在石油、化工、机械、航天、核能等领域大显身手，日益受到人们的重视。例如，SiC陶瓷可用作各类轴承、滚珠、喷嘴、密封件、切削工具、燃汽涡轮机叶片、涡轮增压器转子、反射屏和火箭燃烧室内衬等等。 SiC陶瓷的优异性能与其独特结构密切相关。SiC是共价键很强的化合物，SiC中Si-C键的离子性仅12％左右。因此，SiC强度高、弹性模量大，具有优良的耐磨损性能。纯SiC 不会被HCl、HNO3、H2SO4和HF等酸溶液以及NaOH等碱溶液侵蚀。在空气中加热时易发生氧化，但氧化时表面形成的SiO2会抑制氧的进一步扩散，故氧化速率并不高。在电性能方面，SiC具有半导体性，少量杂质的引入会表现出良好的导电性。此外，SiC还有优良的导热性。 SiC具有α和β两种晶型。β－SiC的晶体结构为立方晶系，Si和C分别组成面心立方晶格；α－SiC存在着4H、15R和6H等100余种多型体，其中，6H多型体为工业应用上最为普遍的一种。在SiC的多种型体之间存在着一定的热稳定性关系。在温度低于1600℃时，SiC以β－SiC形式存在。当高于1600℃时，β－SiC缓慢转变成α－SiC的各种多型体。4H－SiC在2000℃左右容易生成；15R和6H多型体均需在2100℃以上的高温才易生成；对于6H－SiC，即使温度超过2200℃，也是非常稳定的。SiC中各种多型体之间的自由能相差很小，因此，微量杂质的固溶也会引起多型体之间的热稳定关系变化。 现就SiC陶瓷的生产工艺简述如下： 一、SiC粉末的合成： SiC在地球上几乎不存在，仅在陨石中有所发现，因此，工业上应用的SiC粉末都为人工合成。目前，合成SiC粉末的主要方法有： 1、Acheson法： 这是工业上采用最多的合成方法，即用电将石英砂和焦炭的混合物加热至2500℃左右高温反应制得。因石英砂和焦炭中通常含有Al和Fe等杂质，在制成的SiC中都固溶有少量杂质。其中，杂质少的呈绿色，杂质多的呈黑色。 2、化合法： 在一定的温度下，使高纯的硅与碳黑直接发生反应。由此可合成高纯度的β－SiC粉末。 3、热分解法： 使聚碳硅烷或三氯甲基硅等有机硅聚合物在1200～1500℃的温度范围内发生分解反应，由此制得亚微米级的β－SiC粉末。

新型碳化硅陶瓷基复合材料

新型碳化硅陶瓷基复合材料 材料资讯新型碳化硅陶瓷基复合材料陶瓷材料的耐高温、低密度、高比强、高比模、抗氧化和抗烧蚀等优异性能，使其具有接替金属作为新一代高温结构材料的潜力。但是，陶瓷材料的脆性大和可靠性差等致命弱点又阻碍其实用化。在发展的多种增韧途径中，连续纤维增韧陶瓷基复合材料（CFRCMC，简称CMC）最引人注目，它可以具有类似金属的断裂行为、对裂纹不敏感、没有灾难性损毁。 70代初期法国Bordeaux大学Naslain教授发明了化学气相渗透（Chemical Vapor Infiltration,CVI）制造连续纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料（简称CMC－SiC)的新方法并获得专利，现已发展成为工程化技术，尔后美国购买了此项法国专利。 CMC－SiC具有高比强、高比模、耐高温、抗烧蚀、抗氧化和低密度等特点，其密度为2～2.5g/cm3，仅是高温合金和铌合金的1/3～1/4，钨合金的1/9～1/10。CMC－SiC主要包括碳纤维增韧碳化硅（C/SiC）和碳化硅纤维增韧碳化硅（SiC/SiC）两种，由于碳纤维价格便宜且容易获得，因而C/SiC成为SiC陶瓷基复合材料研究、考核与应用的首选。 CMC－SiC的应用可覆盖瞬时寿命（数十秒～数百秒）、有限寿命（数十分钟～数十小时）和长寿命（数百小时～上千小时）3类服役环境的需求。用于瞬时寿命的固体火箭发动机，C/SiC的使用温度可达2800～3000℃；用于有限寿命的液体火箭发动机，C/SiC的使用温度可达2000～2200℃；用于长寿命航空发动机，C/SiC的使用温度为1650℃，SiC/SiC 为1450℃，提高SiC纤维的使用温度是保证SiC/SiC用于1650℃的关键。 由于C/SiC抗氧化性能较SiC/SiC差，国内外普遍认为，航空发动机热端部件最终获得应用的应该是SiC/SiC。因此CMC－SiC被认为是继碳－碳复合材料（C/C）之后发展的又一新型战略性材料，可大幅度提高现有武器装备和发展未来先进武器装备性能，发达国家都在竞相发展。此外，CMC－SiC在核能、高速刹车、燃气轮机热端部件、高温气体过滤和热交换器等方面还有广泛应用潜力。 1. 碳化硅陶瓷基复合材料的应用与发展现状 高性能动力是发展先进航空和航天器的基础。提高航空发动机的推重比和火箭发动机的冲质比是改善先进航空和航天器性能的必经之路。这些都要求不断降低发动机的结构重量和提高发动机构件的耐温能力。因此，发展耐高温、低密度的新型超高温复合材料来接替高温合金和难熔金属材料，成为发展高性能发动机的关键和基础。 国际普遍认为，CMC-SiC是发动机高温结构材料的技术制高点之一，可反映一个国家先进航空航天器和先进武器装备的设计和制造能力。由于其技术难度大、耗资大，目前只有法国、美国等少数国家掌握了连续纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料的产业化技术。 1.1 高推重比航空发动机领域（略） 1.2先进火箭发动机领域（略） 2. 我国CVI－CMC－SiC 制造技术的研究进展 CMC－SiC的制造方法有反应烧结（RB），热压烧结（HP），前驱体浸渍热解（PIP），反应性熔体渗透（RMI）以及CVI，CVI－PIP，CVI－RMI和 PIP－HP等。CVI是目前唯一已商业化的制造方法，其适应性强，原理上适用于所有无机非金属材料，可制造多维编织体复合材料的界面层、基体和表面涂层。CVI必须使气相反应物渗透到纤维预制体的每一根单丝纤维上，而单丝的最小间距仅为1μm左右，因此CVI过程的控制比CVD困难得多。 与其他成型方法相比，CVI法制造CMC具有制备温度低（≈1 000℃）；气相渗透能力强，便于制造大型、薄壁、复杂的近终形构件，能对基体、界面和表面层进行微观尺度的化学成分与结构设计。 CVI法的主要缺点是工艺控制难度大，法国从发明CVI法制造CMC－SiC到形成规

SPS制备碳化硅陶瓷的研究

第17卷第3期2007年6月 粉末冶金工业 POW DER ME T AL LURG Y INDUS TRY Vol.17N o.3 Jun.2007 收稿日期:2007-01-06 基金项目:国家自然基金项目(50404012) 作者简介:赵珍(1982-),女(汉),山西省灵石县人,硕士研究生,主要从事碳化硅和氮化硅陶瓷的放电等离子烧结(SPS)工艺的研究。 SPS 制备碳化硅陶瓷的研究 赵 珍,何新波,曲选辉,张 勇 (北京科技大学材料科学与工程学院,北京 100083) 摘 要:本文用放电等离子烧结(SPS)的方法制备了SiC 陶瓷,研究了SPS 烧结温度、压力和保温时间对烧结试样力学性能的影响。结果表明,随着烧结温度的升高,烧结试样的密度和硬度增加,当温度超过1600 后,密度和硬度不再增加,反而有稍微的下降,而断裂韧度和弯曲强度则随温度的升高而提高;随着压力的增大和保温时间的延长,样品的致密度和力学性能均提高。当温度为1700 、压力为50MPa 、保温时间为5min 时,烧结样品的密度达3.280g/cm 3,维氏硬度达25.0GPa,断裂韧度达8.34MPa m 1/2 、弯曲强度达684MPa 。关键词:碳化硅陶瓷;放电等离子烧结;力学性能中图分类号:TB383 文献标识码:A 文章编号:1006-6543(2007)03-0028-05 PREPARATION OF SILICON CARBIDE BY SPARK PLASMA SINTERING ZHAO Zhen,HE Xin bo,QU X uan hui,ZHA NG Yo ng ((School of M ater ials Science and Engineering ,U niversity of Science and Technolog y of Beijing,Beijing 100083,China) Abstract:The silicon carbide ceramic was prepared by Spark Plasma Sintering(SPS).The effects of sintering temperature,time and pressure on density and mechanical properties of sintered products w ere studied.The result show ed that w ith the increase of sintering temperature the density and hardness of the product increases at first and decreases slightly after the temperature is over 1600 ,w hile bending stress and fracture toughness increase gradually.H owever,w ith the increase of pres sure and time the mechanical properties of product increase.When the temperature w as 1700 ,the pressure w as 50MPa,the dwelling time was 5min,the product with density of 3.280g/cm 3,hard ness of 25GPa,fracture toughness of 8.34MPa m 1/2 ,bending stress of 684MPa was obtained.Key words:silicon carbide ceramic,Spark Plasma Sintering (SPS),mechanical properties SiC 陶瓷由于具有高硬度、高强度、耐高温、耐化学腐蚀、高热导率等性能,被广泛应用于各个工业领域 [1~3] 。但由于SiC 是一种共价键性很强的化合物, 其熔点很高、自扩散系数极小,烧结性很差,所以在传 统的烧结工艺(无压烧结或热压烧结)条件下,如果不加入适当的助烧剂,纯SiC 是很难烧结致密的[4]。即使在引入适当助烧剂的情况下,SiC 陶瓷的无压烧结温度和热压烧结温度亦分别高达2100 和2050 。这样,很容易导致SiC 粗晶的生成,从而降低SiC 陶 瓷的力学性能。 为了克服SiC 陶瓷无压烧结工艺和热压烧结工艺所存在的这些缺陷,人们采用了放电等离子烧结 (Spark Plasma Sintering:SPS),它产生的高能电火花可以在较低的温度和较短的时间内完成试样的烧结过程。Tamari N [5,6]等人利用SPS 以Al 2O 3、Y 2O 3和硼、碳为助烧剂,对SiC 粉末烧结情况进行了研究,并制备得到了致密度很高的SiC 试样。与普通热压烧结方法制备得到的试样相比,其性能有较大提高。本