碳化硅陶瓷工藝流程

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(jià)鍵很強(qiáng)的化合物，SiC中Si-C鍵的離子性僅12％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。純SiC不會(huì)被HCl、HNO3、H2SO4和HF等酸溶液以及NaOH等堿溶液侵蝕。在空氣中加熱時(shí)易發(fā)生氧化，但氧化時(shí)表面形成的SiO2會(huì)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(huì)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的晶體結(jié)構(gòu)為立方晶系，Si和C分別組成面心立方晶格；α－SiC存在著4H、15R和6H等100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一定的熱穩(wěn)定性關(guān)系。在溫度低于1600℃時(shí)，SiC以β－SiC形式存在。當(dāng)高于1600℃時(shí)，β－SiC緩慢轉(zhuǎn)變成α－SiC的各種多型體。4H－SiC在2000℃左右容易生成；15R和6H多型體均需在2100現(xiàn)就SiC陶瓷的生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)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：1、Acheson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2500℃2、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)。由此可合成高純度的β－SiC粉末。3、熱分解法：使聚碳硅烷或三氯甲基硅等有機(jī)硅聚合物在1200～1500℃4、氣相反相法：使SiCl4和SiH4等含硅的氣體以及CH4、C3H8、C7H8和（Cl4等含碳的氣體或使CH3SiCl3、（CH3）2SiCl2和Si（CH3）4等同時(shí)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(jí)的β－SiC超細(xì)粉。二、碳化硅陶瓷的燒結(jié)1、無壓燒結(jié)1974年美國(guó)GE公司通過在高純度β－SiC細(xì)粉中同時(shí)加入少量的B和C，采用無壓燒結(jié)工藝，于2020℃以α－SiC為原料，同時(shí)添加B和C，也同樣可實(shí)現(xiàn)SiC的致密燒結(jié)。研究表明：?jiǎn)为?dú)使用B和C作添加劑，無助于SiC陶瓷充分致密。只有同時(shí)添加B和C時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)SiC陶瓷的高密度化。為了SiC的致密燒結(jié)，SiC粉料的比表面積應(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原料中氧含量高低，通常C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Y2O3，在1850℃～20002、熱壓燒結(jié)50年代中期，美國(guó)Norton公司就開始研究B、Ni、Cr、Fe、Al等金屬添加物對(duì)SiC熱壓燒結(jié)的影響。實(shí)驗(yàn)表明：Al和Fe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SiC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B4C、B或B與C，Al2O3和C、Al2O3和Y2O3、Be、B4C與C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(huì)因添加劑的種類不同而異。如：當(dāng)采用B或B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，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B和C為添加劑，采用熱等靜壓燒結(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研究表明：當(dāng)SiC粉末的粒徑小于0．6μm時(shí)，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。如選用比表面積為24m2／g的SiC超細(xì)粉，采用熱等靜壓燒結(jié)工藝，在1850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(duì)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、反應(yīng)燒結(jié)：SiC的反應(yīng)燒結(jié)法最早在美國(guó)研究成功。反應(yīng)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反應(yīng)，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應(yīng)燒結(jié)體。反應(yīng)燒結(jié)SiC通常含有8％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α－SiC和C的含量，α－SiC的粒度級(jí)配，C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?。?shí)驗(yàn)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(duì)較多，反應(yīng)燒結(jié)SiC相對(duì)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(duì)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(duì)HF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900℃時(shí)，幾乎所有SiC陶瓷強(qiáng)度均有所提高；當(dāng)溫度超過1400總之，SiC陶瓷的性能因燒結(jié)方法不同而不同。一般說來，無壓燒結(jié)SiC陶瓷的綜合性能優(yōu)于反應(yīng)燒結(jié)的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)品名稱主要品種主要用途普通氫氧化鋁聯(lián)合法氫氧化鋁氟化鹽、凈水劑拜爾法氫氧化鋁氟化鹽、凈水劑、活性氧化鋁特種氫氧化鋁白色氫氧化鋁阻燃劑、填料超白氫氧化鋁人造瑪瑙、人造石超細(xì)氫氧化鋁電纜、化妝品、紙張?zhí)盍系丸F氫氧化鋁特種玻璃、人造瑪瑙低鈉氫氧化鋁催化劑載體活性氧化鋁活性氧化鋁微粉耐火材料結(jié)合劑柱狀活性氧化鋁催化劑、干燥劑、凈化劑球狀活性氧化鋁催化劑、干燥劑、吸附劑高純氧化鋁高純氧化鋁鈉燈管、熒光粉高溫氧化鋁低鈉高溫氧化鋁電子陶瓷、精細(xì)陶瓷中鈉高溫氧化鋁結(jié)構(gòu)陶瓷低鈉高溫氧化鋁超細(xì)微粉電子陶瓷、精細(xì)陶瓷、耐火材料中鈉高溫氧化鋁超細(xì)微粉結(jié)構(gòu)陶瓷、耐火材料拋光研磨氧化鋁不銹鋼拋光研磨電工氧化鋁高壓開關(guān)環(huán)氧樹脂絕緣件填料擬薄水鋁石普通擬薄水鋁石催化劑、粘結(jié)劑特種擬薄水鋁石催化劑、粘結(jié)劑沸石4A沸石洗滌助劑10X沸石催化劑鋁酸鈉鋁酸鈉溶液氟化鹽固體鋁酸鈉催化劑、凝聚劑純鋁酸鈣水泥純鋁酸鈣水泥耐火材料結(jié)合劑氧化鋁陶瓷結(jié)構(gòu)陶瓷研磨介質(zhì)精細(xì)陶瓷機(jī)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)過人工加熱使之堅(jiān)固，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)別。如果是硅和鋁所構(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（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(bǔ)陶瓷原料過粘的缺點(diǎn)。在780℃以上時(shí)便不穩(wěn)定而變成鱗石英，在1730℃時(shí)開始熔融。2、長(zhǎng)石——是以二氧化硅及氧化鋁為主，又夾雜鈉、鉀、鈣等的化合物。因其所含分量多寡不同，又有許多種類。一般有將含長(zhǎng)石較多的巖石叫作長(zhǎng)石的，也有以它的產(chǎn)地來命名的?，F(xiàn)在把長(zhǎng)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所有的不純物質(zhì)。鈉長(zhǎng)石與鈣長(zhǎng)石以各種比例互相熔解，變成多種多樣的長(zhǎng)石。這些總稱為“斜長(zhǎng)石”，它的性質(zhì)依其中所含鈉長(zhǎng)石與鈣長(zhǎng)石的比例而定。還有一種和正長(zhǎng)石（鉀長(zhǎng)石）為同樣成分而形狀稍有變異的，至今也多誤傳為正長(zhǎng)石，其實(shí)這種應(yīng)該叫做“微斜長(zhǎng)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(guó)景德鎮(zhèn)附近的高嶺而得名的。后來由“高嶺”的中國(guó)音演變?yōu)椤癒aolin”，而成為國(guó)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(zhǎng)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”。至于瓷土化究竟因何而起，在學(xué)術(shù)界中雖然還沒有定論，但大略可以認(rèn)為是長(zhǎng)石類由于溫泉或含有碳酸氣的水以及沼地植物腐化時(shí)所生的氣體起作用變質(zhì)而成的。一般瓷土多產(chǎn)于溫泉附近或石灰層周圍，可能就是這個(gè)原因。瓷土的熔點(diǎn)約在1780℃左右，實(shí)際上因?yàn)槎嗌俸胁患兾镔|(zhì)，所以它的熔點(diǎn)略為降低。純粹的瓷土（高嶺土）存量不多，而且所謂純粹的瓷土，也沒有黏土那樣強(qiáng)的粘度。一般所說的瓷土如果放在顯微鏡下面來觀察，大部分帶有白色絲絹狀的光澤，銀光閃閃，是非常小的結(jié)晶，這就是所謂純粹的瓷土。此外，還含有未變質(zhì)的長(zhǎng)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(jí)的是瓷器。作瓷器用的巖石究竟以哪樣最好？由于瓷器必須是白色。因而就不得不極力避免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(zhǎng)石為主，并含有若干云母及富于鐵分（氧化鐵）的黑綠或黑褐色的礦物。假若仔細(xì)觀察這些巖石，便可看到許多像玻璃一般透明的顆粒和像瓷器一樣鮮艷的白色或淡紅色的顆粒。前者是石英、后者是長(zhǎng)石。這四種巖石的化學(xué)成分雖然相同，但因?yàn)殚L(zhǎng)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(zhǎng)石的小粒存在?；◢彴邘r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(shí)間長(zhǎng)短，其中花崗巖最長(zhǎng)，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(shí)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，其主要原因是，陶瓷原料不像巖石那樣在高溫下完全熔化，同時(shí)所需要的冷固時(shí)間也較短，這是天然巖石與人造巖石即陶瓷間的最大區(qū)別。有時(shí)與石英粗面巖