碳化硅陶瓷工藝流程

碳化硅〔碳化硅〔SiC〕陶瓷，具有抗氧化性強，耐磨性能好，硬度高，熱穩(wěn)定性好，高溫強度大，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)良特高溫強度大，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)異性能與其獨特構(gòu)造親熱相關(guān)。SiC是共價鍵很強的化合物，SiC中Si-C鍵的離子性僅12％左右。因此，SiC強度高、彈性模量大，具有優(yōu)良的耐磨損性能。純SiCHCl、HNO3、H2SO4HF等酸溶液以及NaOH等堿溶液侵蝕。在空氣中加熱時易發(fā)生氧化，但氧化時外表形成的SiO2會抑制氧的進(jìn)一步集中，故氧化速率并不高。在電性能方面(fāngmiàn)，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α和β兩種晶型。β－SiC的晶體構(gòu)造為立方晶系，Si和C分別組成面心立方晶格(jīnɡɡé)；α－SiC4H、15R6H100余種多型體，其中，6H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肯定的熱穩(wěn)定性關(guān)系。在溫度低于1600℃時，SiC以β－SiC形式(xíngshì)1600℃時，β－SiC緩慢(huǎnmàn)α－SiC的各種多型體。4H－SiC在2000℃左右簡潔生成；15R和6H多型體均需在2100℃以上的高溫才易生成；對于6H－SiC，即使溫度超過2200℃，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?，F(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，僅在隕石中有所覺察，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：1、Acheson法：這是工業(yè)上承受最多的合成方法，即用電將石英砂和焦炭的混合物加熱至2500℃左右高溫反響制得。因石英砂和焦炭中通常含有Al和Fe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。2、化合法：在肯定的溫度下，使高純的硅與碳黑直接發(fā)生反響。由此可合成(héchéng)β－SiC粉末。3、熱分解法：使聚碳硅烷或三氯甲基硅等有機硅聚合物在1200～1500℃的溫度范圍內(nèi)發(fā)生(fāshēng)β－SiC粉末。4、氣相反(xiāngfǎn)相法：使SiCl4和SiH4等含硅的氣體以及(yǐjí)CH4、C3H8、C7H8和〔Cl4等含碳的氣體或使CH3SiCl3、〔CH3〕2SiCl2和Si〔CH3〕4等同時含有硅和β－SiC超細(xì)粉。二、碳化硅陶瓷(táocí)的燒結(jié)1、無壓燒結(jié)1974年美國GE公司通過在高純度β－SiC細(xì)粉中同時參加少量的B和C，承受無壓燒結(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GE公司爭論者認(rèn)為：晶界能與外表能之比小于1．732是致密化的熱力學(xué)條件，當(dāng)同時添加B和C后，B固溶到SiC中，使晶界能降低，C把SiC粒子外表的SiO2復(fù)原除去，提高外表能，因此B和C的添加為SiC的致密化制造了熱力學(xué)方面的有利條件。然而，日本爭論人員卻認(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的致密化機理可能是液相燒結(jié)，他們覺察：在同時添加B和C的β－SiC燒B的液相存在于晶界處。關(guān)于無壓燒結(jié)機理，目前尚無定論。α－SiCBCSiC的致密燒結(jié)。爭論說明：單獨使用B和C作添加劑，無助于SiC陶瓷充分致密。只有同時添加B和C時，才能實現(xiàn)SiC陶瓷的高密度化。為了SiC的致密燒結(jié)，SiC粉料的比外表積應(yīng)在10m2／g以上，且氧含量盡可能低。B的添加量在0．5％左右，C的添加量取決于SiC原料中氧含量凹凸，通常C的添加量與SiC粉料中的氧含量成正比。最近，有爭論者在亞微米(wēimǐ)SiC粉料中參加Al2O3和Y2O3，在1850℃～2000℃溫度下實現(xiàn)SiC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(wēiguān)構(gòu)造，因而，其強度和韌性大大改善。2、熱壓燒結(jié)(shāojié)50年月中期，美國Norton公司就開頭爭論B、Ni、Cr、Fe、Al等金屬添加物對SiC熱壓燒結(jié)的影響(yǐngxiǎng)。試驗說明：Al和Fe是促進(jìn)SiC熱壓致密化的最有效的添加劑。有爭論者以Al2O3為添加劑，通過熱壓燒結(jié)工藝，也實現(xiàn)了SiC的致密化，并認(rèn)為(rènwéi)其機理是液相燒結(jié)。此外，還有爭論者分別以B4C、B或B與C，Al2O3和C、Al2O3和Y2O3、Be、B4C與C作添加劑，承受熱壓燒結(jié)，也都獲得了致密SiC陶瓷。而異。如：當(dāng)承受B或B的化合物為添加劑，熱壓SiC的晶粒尺寸較小，但Be作添加劑，熱壓SiC陶瓷具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)。3、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，爭論人員進(jìn)展了SiC陶瓷的熱等靜壓工藝的爭論工作。爭論人員以B和C為添加劑，承受熱等靜壓燒結(jié)工藝，在1900℃便獲得高密度SiC燒結(jié)體。更進(jìn)一步，通過該工藝，在2000℃138MPa壓力下，成功實現(xiàn)無添加劑SiC陶瓷的致密燒結(jié)。爭論說明：當(dāng)SiC粉末的粒徑小于0．6μm時，即使不引入任何添加劑，通過熱等靜壓燒結(jié)，在1950℃即可使其致密化。如選用比外表積為24m2／g的SiC超細(xì)粉，承受熱等靜壓燒結(jié)工藝，在1850℃便可獲得高致密度的無添SiC陶瓷。另外，Al2O3是熱等靜壓燒結(jié)SiC陶瓷的有效添加劑。而C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C甚至?xí)种芐iC陶瓷的燒結(jié)。4、反響燒結(jié)：SiC的反響燒結(jié)法最早在美國爭論成功。反響燒結(jié)的工藝過程為：先將α－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C與滲入的Si反響，生成β－SiC，并與α－SiC相結(jié)合，過量的Si填充于氣孔，從而得到無孔致密的反響燒結(jié)體。反響燒結(jié)SiC通常含有8％的游離(yóulí)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α－SiC和C的含量，α－SiC的粒度級配，C的外形和粒度以及成型壓力等手段來獲得適當(dāng)?shù)乃嘏髅芏?。試驗說明，承受無壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)和反響燒結(jié)的試驗說明，承受無壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)和反響燒結(jié)的SiC陶瓷具有(jùyǒu)各異的性能特點。如就燒結(jié)密度和抗彎強度來說，熱壓燒結(jié)和熱等靜壓燒結(jié)SiC陶瓷相對較多，反響燒結(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)和反響燒結(jié)SiC陶瓷(táocí)對強酸、強堿具有良好的抵抗力，但反響燒結(jié)SiC陶瓷對HF等超強酸的抗蝕性較差。就耐高溫性能比較來看，當(dāng)溫度低于900℃時，幾乎(jīhū)全部SiC陶瓷強度均有所提高；當(dāng)溫度超過1400℃時，反響燒結(jié)SiC陶瓷抗彎強度急劇下降?！策@是由于燒結(jié)體中含有肯定量的游離Si，當(dāng)超過肯定溫度抗彎強度急劇下降所致〕對于無壓燒結(jié)和熱等靜壓燒結(jié)的SiC(zhǔyào)受添加劑種類的影響。SiC陶SiC陶瓷，但次于熱壓燒結(jié)和熱等靜壓燒結(jié)的SiC陶瓷。氧化鋁的用途產(chǎn)品名稱一般氫氧化鋁

主要品種白色氫氧化鋁超白氫氧化鋁

主要用途氟化鹽、凈水劑阻燃劑、填料人造瑪瑙、人造石特種氫氧化鋁 氧化鋁化鋁化鋁

特種玻璃、人造瑪瑙催化劑載體活性氧化鋁微粉活性氧化鋁 性氧化鋁高純氧化鋁 高純氧化鋁氧化鋁

耐火材料結(jié)合劑鈉燈管、熒光粉構(gòu)造陶瓷

低鈉高溫氧化鋁超細(xì) 、精細(xì)陶瓷、耐火材料微粉沸石鋁酸鈉氧化鋁陶瓷

微粉電工氧化鋁4A沸石10X沸石鋁酸鈉溶液固

構(gòu)造陶瓷、耐火材料不銹鋼拋光研磨催化劑、粘結(jié)劑洗滌助劑催化劑、分散劑研磨介質(zhì)機械零件陶瓷原料主要來自巖石，而巖石大體都是由硅和鋁構(gòu)成的。陶瓷也是用這類巖石作原料，經(jīng)過人工加熱使之結(jié)實，很類似火成巖的生成。因此從化學(xué)上來說，陶瓷的成分與巖石的成分沒有什么大的區(qū)分。假設(shè)是硅和鋁所構(gòu)成的陶瓷，其主要原料有以下幾種：1、石英——化學(xué)成分是純粹的二氧化硅(èryǎnghuàguī)〔SiO2〕，又名硅石。這種礦物即使碎成細(xì)粉也無粘性，可用來彌補陶瓷原料過粘的缺點。在780℃以上(yǐshàng)時便不穩(wěn)1730℃時開頭熔融。2、長石——是以二氧化硅及氧化鋁為主，又夾雜鈉、鉀、鈣等的化合物。因其所含重量多寡不同，又有很多種類。一般有將含長石較多的巖石叫作長石的，也有以它的產(chǎn)地來命名的。現(xiàn)在把長石中具有代表性的幾種和它們的成分列于表1。其中前三種是純粹的理論成分，后一類則含有巖石中全部的不純(bùchún)物質(zhì)。鈉長石與鈣長石以各種比例相互熔解，變成多種多樣的長石。這些總稱為“斜長石”，它的性質(zhì)依其中所含鈉長石與鈣長石的比例而定。還有一種和正長石〔鉀長石〕為同樣成分而形狀稍有變異的，至今也多誤傳為正長石，其實這種應(yīng)當(dāng)叫做“微斜長石”。3、瓷土〔又名“高嶺土”〕——瓷土〔H4Al2Si2O9〕是陶瓷的主要原料。它是以產(chǎn)于世界第一窯廠的中國景德鎮(zhèn)四周的高嶺而得名的。后來由“高嶺”的中國音演化為“Kaolin”，而成為國際性的名詞。純粹的瓷土是一種白色或灰白色，有絲絹般光澤的軟質(zhì)礦物。瓷土是由云母和長石變質(zhì)，其中的鈉、鉀、鈣、鐵等流失，加上水變化而成的，這種作用叫作“瓷土化”或“高嶺土化”。至于瓷土化到底因何而起，在學(xué)術(shù)界中雖然還沒有定論，但大概可以認(rèn)為是長石類由于溫泉或含有碳酸氣的水以及沼地植物腐化時所生的氣體起作用變質(zhì)而成的。一般瓷土多產(chǎn)于溫泉四周或石灰層四周，可能就是這個緣由。瓷土的熔點約在1780℃左右，實際上由于多少含有不純物質(zhì)，所以它的熔點略為降低。純粹的瓷土〔高嶺土〕存量不多，而且所謂(suǒwèi)純粹的瓷土，也沒有黏土那樣強的粘度。一般所說的瓷土假設(shè)放在顯微鏡下面來觀看，大局部帶有白色絲絹狀的光澤，銀光閃閃，是格外小的結(jié)晶，這就是所謂純粹的瓷土。此外，還含有未變質(zhì)的長石、石英、鐵礦及其他作為瓷土來源的巖石的碎片。純粹瓷土的成分是：SiO246.51%，Al2O339.54%，H2O13.95%,熔度為1780℃。陶瓷中最高級的是瓷器。作瓷器用的巖石到底以哪樣最好？由于瓷器必需是白色。因而(yīnér)就不得不竭力避開含有使陶瓷著色的鐵分。含鐵少而以氧化硅及氧化鋁為主要成分的巖石有：花崗巖、花崗斑巖、石英斑巖、石英粗面巖以及由這類巖石分崩而成的水成巖等。這里所說的花崗石乃至石英粗面巖〔即在火成巖中也算是含有氧化硅及氧化鋁特別多而鐵分子少的〕，都是以石英、長石為主，并含有假設(shè)干云母及富于鐵分〔氧化鐵〕的黑綠或黑褐色的礦物。假設(shè)認(rèn)真觀看這些巖石，便可看到很多像玻璃一般透亮的顆粒和像瓷器一樣明媚的白色或淡紅色的顆粒。前者是石英、后者是長石。這四種巖石的化學(xué)成分雖然一樣，但由于長石與石英等顆粒的大小不同，因而形成了不同的巖石?；◢弾r全體是由比較大的顆粒〔直徑1~7毫米〕構(gòu)成的。石英粗面巖是在看不見顆粒的致密素地中有石英及長石的小粒存在。花崗斑巖及石英斑巖則介乎此二者之間，是在致密的素地內(nèi)含有大粒的石英。這類巖石構(gòu)造上的差異，主要在于由熔融的巖漿到冷固的時間長短，其中花崗巖最長，石英粗面巖最短，而花崗斑巖與石英斑巖則是在介乎兩者間的時間內(nèi)冷固的。陶瓷是以巖石作原料，而所以未能具有巖石般的顆粒，其主要緣由是，陶瓷原料不像巖石那樣在高溫下完全熔化，同時所需要的冷固時間也較短，這是自然巖石與人造巖石即陶瓷間的最大區(qū)分。有時與石英粗面巖同樣成分之物，以熔融狀態(tài)流到地面上而突然冷固，這樣形成不含有像上述巖石那種用肉眼可見的石英、長石等顆粒，而形成全體一樣的玻璃，即是所謂黑曜石和重晶石。由此可見巖石與陶瓷的本質(zhì)一樣，只有天工與人工的差異罷了。在花崗巖中含有二氧化硅特多的是半花崗巖和偉晶花崗巖。前者的長石與石英等的顆粒細(xì)小，后者則由特大的