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文檔簡介

1、碳化硅陶瓷性能及制造工藝        碳化硅(SiC)陶瓷,具有抗氧化性強(qiáng),耐磨性能好,硬度高,熱穩(wěn)定性好,高溫強(qiáng)度大,熱膨脹系數(shù)小,熱導(dǎo)率大以及抗熱震和耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)良特性。因此,已經(jīng)在石油、化工、機(jī)械、航天、核能等領(lǐng)域大顯身手,日益受到人們的重視。例如,SiC陶瓷可用作各類軸承、滾珠、噴嘴、密封件、切削工具、燃汽渦輪機(jī)葉片、渦輪增壓器轉(zhuǎn)子、反射屏和火箭燃燒室內(nèi)襯等等。SiC陶瓷的優(yōu)異性能與其獨(dú)特結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。SiC是共價鍵很強(qiáng)的化合物,SiC中Si-鍵的離子性僅左右。因此,SiC強(qiáng)度高、彈性模量大,具有優(yōu)良的耐磨損性能

2、。純SiC不會被、和等酸溶液以及等堿溶液侵蝕。在空氣中加熱時易發(fā)生氧化,但氧化時表面形成的會抑制氧的進(jìn)一步擴(kuò)散,故氧化速率并不高。在電性能方面,SiC具有半導(dǎo)體性,少量雜質(zhì)的引入會表現(xiàn)出良好的導(dǎo)電性。此外,SiC還有優(yōu)良的導(dǎo)熱性。 SiC具有和兩種晶型。SiC的晶體結(jié)構(gòu)為立方晶系,Si和分別組成面心立方晶格;SiC存在著、和等余種多型體,其中,多型體為工業(yè)應(yīng)用上最為普遍的一種。在SiC的多種型體之間存在著一定的熱穩(wěn)定性關(guān)系。在溫度低于時,SiC以SiC形式存在。當(dāng)高于時,SiC緩慢轉(zhuǎn)變成SiC的各種多型體。SiC在左右容易生成;和多型體均需在以上的高溫才易生成;對于SiC,即使溫度超

3、過,也是非常穩(wěn)定的。SiC中各種多型體之間的自由能相差很小,因此,微量雜質(zhì)的固溶也會引起多型體之間的熱穩(wěn)定關(guān)系變化。 現(xiàn)就SiC陶瓷的生產(chǎn)工藝簡述如下:一、SiC粉末的合成: SiC在地球上幾乎不存在,僅在隕石中有所發(fā)現(xiàn),因此,工業(yè)上應(yīng)用的SiC粉末都為人工合成。目前,合成SiC粉末的主要方法有:、法:  這是工業(yè)上采用最多的合成方法,即用電將石英砂和焦炭的混合物加熱至左右高溫反應(yīng)制得。因石英砂和焦炭中通常含有和等雜質(zhì),在制成的SiC中都固溶有少量雜質(zhì)。其中,雜質(zhì)少的呈綠色,雜質(zhì)多的呈黑色。、化合法:  在一定的溫度下,使高純的硅與碳黑直接發(fā)生反應(yīng)。由此

4、可合成高純度的SiC粉末。、熱分解法:  使聚碳硅烷或三氯甲基硅等有機(jī)硅聚合物在的溫度范圍內(nèi)發(fā)生分解反應(yīng),由此制得亞微米級的SiC粉末。、氣相反相法:  使SiCl和SiH等含硅的氣體以及CH、CH、CH和(Cl等含碳的氣體或使CHSiCl、(CH) SiCl和Si(CH)等同時含有硅和碳的氣體在高溫下發(fā)生反應(yīng),由此制備納米級的SiC超細(xì)粉。二、碳化硅陶瓷的燒結(jié)、無壓燒結(jié)  1974年美國公司通過在高純度SiC細(xì)粉中同時加入少量的和,采用無壓燒結(jié)工藝,于2020成功地獲得高密度SiC陶瓷。目前,該工藝已成為制備SiC陶瓷的主要方法。美國公司研究者認(rèn)為:晶界能與表面

5、能之比小于1.732是致密化的熱力學(xué)條件,當(dāng)同時添加和后,固溶到SiC中,使晶界能降低,把SiC粒子表面的SiO2還原除去,提高表面能,因此和的添加為SiC的致密化創(chuàng)造了熱力學(xué)方面的有利條件。然而,日本研究人員卻認(rèn)為SiC的致密并不存在熱力學(xué)方面的限制。還有學(xué)者認(rèn)為,SiC的致密化機(jī)理可能是液相燒結(jié),他們發(fā)現(xiàn):在同時添加和的SiC燒結(jié)體中,有富的液相存在于晶界處。關(guān)于無壓燒結(jié)機(jī)理,目前尚無定論。  以SiC為原料,同時添加和,也同樣可實(shí)現(xiàn)SiC的致密燒結(jié)。  研究表明:單獨(dú)使用和作添加劑,無助于SiC陶瓷充分致密。只有同時添加和時,才能實(shí)現(xiàn)SiC陶瓷的高密度化。為了SiC的

6、致密燒結(jié),SiC粉料的比表面積應(yīng)在以上,且氧含量盡可能低。的添加量在0.5左右,的添加量取決于SiC原料中氧含量高低,通常的添加量與SiC粉料中的氧含量成正比。  最近,有研究者在亞微米SiC粉料中加入Al2O3和,在溫度下實(shí)現(xiàn)的致密燒結(jié)。由于燒結(jié)溫度低而具有明顯細(xì)化的微觀結(jié)構(gòu),因而,其強(qiáng)度和韌性大大改善。、熱壓燒結(jié)  年代中期,美國公司就開始研究、等金屬添加物對SiC熱壓燒結(jié)的影響。實(shí)驗表明:和是促進(jìn)SiC熱壓致密化的最有效的添加劑。  有研究者以Al2O3為添加劑,通過熱壓燒結(jié)工藝,也實(shí)現(xiàn)了的致密化,并認(rèn)為其機(jī)理是液相燒結(jié)。此外,還有研究者分別以、或與,Al2

7、O3和、Al2O3和、與作添加劑,采用熱壓燒結(jié),也都獲得了致密SiC陶瓷。  研究表明:燒結(jié)體的顯微結(jié)構(gòu)以及力學(xué)、熱學(xué)等性能會因添加劑的種類不同而異。如:當(dāng)采用或的化合物為添加劑,熱壓SiC的晶粒尺寸較小,但強(qiáng)度高。當(dāng)選用作添加劑,熱壓SiC陶瓷具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)。、熱等靜壓燒結(jié):  近年來,為進(jìn)一步提高SiC陶瓷的力學(xué)性能,研究人員進(jìn)行了SiC陶瓷的熱等靜壓工藝的研究工作。研究人員以和為添加劑,采用熱等靜壓燒結(jié)工藝,在便獲得高密度SiC燒結(jié)體。更進(jìn)一步,通過該工藝,在和壓力下,成功實(shí)現(xiàn)無添加劑SiC陶瓷的致密燒結(jié)。  研究表明:當(dāng)SiC粉末的粒徑小于時,即使不引

8、入任何添加劑,通過熱等靜壓燒結(jié),在即可使其致密化。如選用比表面積為的SiC超細(xì)粉,采用熱等靜壓燒結(jié)工藝,在便可獲得高致密度的無添加劑SiC陶瓷。  另外,Al2O3是熱等靜壓燒結(jié)SiC陶瓷的有效添加劑。而的添加對SiC陶瓷的熱等靜壓燒結(jié)致密化不起作用,過量的甚至?xí)种芐iC陶瓷的燒結(jié)。、反應(yīng)燒結(jié): SiC的反應(yīng)燒結(jié)法最早在美國研究成功。反應(yīng)燒結(jié)的工藝過程為:先將SiC粉和石墨粉按比例混勻,經(jīng)干壓、擠壓或注漿等方法制成多孔坯體。在高溫下與液態(tài)Si接觸,坯體中的與滲入的Si反應(yīng),生成SiC,并與SiC相結(jié)合,過量的Si填充于氣孔,從而得到無孔致密的反應(yīng)燒結(jié)體。反應(yīng)燒結(jié)SiC通常

9、含有的游離Si。因此,為保證滲Si的完全,素坯應(yīng)具有足夠的孔隙度。一般通過調(diào)整最初混合料中SiC和的含量,SiC的粒度級配,的形狀和粒度以及成型壓力等手段來獲得適當(dāng)?shù)乃嘏髅芏取?#160; 實(shí)驗表明,采用無壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)和反應(yīng)燒結(jié)的SiC陶瓷具有各異的性能特點(diǎn)。如就燒結(jié)密度和抗彎強(qiáng)度來說,熱壓燒結(jié)和熱等靜壓燒結(jié)SiC陶瓷相對較多,反應(yīng)燒結(jié)SiC相對較低。另一方面,SiC陶瓷的力學(xué)性能還隨燒結(jié)添加劑的不同而不同。無壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)和反應(yīng)燒結(jié)SiC陶瓷對強(qiáng)酸、強(qiáng)堿具有良好的抵抗力,但反應(yīng)燒結(jié)SiC陶瓷對等超強(qiáng)酸的抗蝕性較差。就耐高溫性能比較來看,當(dāng)溫度低于時,幾乎所有SiC陶瓷強(qiáng)度均有所提高;當(dāng)溫度超過時,反應(yīng)燒結(jié)SiC陶瓷抗彎強(qiáng)度急劇下降。(這是由于燒結(jié)體中含有一定量

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