碳化硅陶瓷材料的特点与应用

作者:yswl 日期:2022-05-06 阅读量:

  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。由于碳化硅 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。下面小编给大家介绍碳化硅陶瓷材料的特点与应用的内容,欢迎阅读!


碳化硅陶瓷材料的特点:


  SiC陶瓷不仅具有优良的常温力学性能,如高的抗弯强度、优良的抗氧化性、良好的耐腐蚀性、高的抗磨损以及低的摩擦系数,而且高温力学性能(强度、抗蠕变性等)是已知陶瓷材料中较好的。热压烧结、无压烧结、热等静压烧结的材料,其高温强度可一直维持到1600℃,是陶瓷材料中高温强度较好的材料。抗氧化性也是所有非氧化物陶瓷中较好的。别名金刚砂。


  碳化硅(SiC)是共价键很强的化合物,其Si--C键的离子型仅12%左右,因此,它也具有优良的力学性能、优良的抗氧化性、高的抗磨损性以及低的摩擦系数等。碳化硅的特点是高温强度高,普通陶瓷材料在1200~1400摄氏度时强度将显著降低,而碳化硅在1400摄氏度时抗弯强度仍保持在500~600MPa的较高水平,因此其工作温度可达1600~1700摄氏度。再加上碳化硅陶瓷的热传导能力也较高,在陶瓷中仅次于氧化铍陶瓷,因此碳化硅已经广泛应用于高温轴承、防弹板、喷嘴、高温耐蚀部件以及高温和高频范围的电子设备零部件等领域。


  稀土氧化物如Y2O,同样可以作为碳化硅陶瓷的烧结助剂,通过液相烧结的途径获得致密的碳化硅。由于其液相烧结是通过玻璃相的形成来降低孔隙率,提高致密度的,因此,玻璃相的特性对烧结所得微观结构影响很大。


  碳化硅主要有两种晶体结构,即立方晶系的β-SiC和六方晶系的-SiC。碳化硅晶体的基本结构单元是相互穿插的SiC和CSi四面体。四面体共边形成平面层,并以顶点与下一叠层四面体相连形成三维结构。由于四面体堆积次序的不同可以形成不同的结构,已发现数百种变体。一般采用字母C(立方)、H(六方)、R(菱方)米表示其晶格类型,并用单位晶胞中所含的层数以示区别,例如nH表示沿c轴有n层重复周期的六方晶系结构,而mR则表示沿c轴有m层重复周期的菱面体结构。


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碳化硅陶瓷材料的应用:


  1、耐火材料


  国外将碳化硅用作耐火材料的数量大于用作磨料。我国亦在不断扩大这方面的应用,根据国外厂商的习惯,耐火材料黑色碳化硅通常分为3种牌号:


  A、高级耐火材料黑碳化硅。这种牌号的化学成分要求与磨料用黑色碳化硅完全相同,主要用以制造高级碳化硅制品,如重结晶碳化硅制品、燃气轮机构件、喷嘴、氮化硅结合碳化硅制件、高炉高温区衬材、高温窑炉构件、高温窑装窑支承件、耐火匣钵等。


  B、二级耐火材料黑色碳化硅,含碳化硅大于90%。主要用于制造耐中等高温的窑炉构件,如马弗炉炉衬材料等。这些构件除利用碳化硅的耐热性、导热性外,在很多场合还兼用它的化学稳定性。


  C、低品位耐火材料黑色碳化硅,其碳化硅含量要求大于83%,主要用于出铁槽、铁水包,炼锌业和海绵铁制造业等的内衬。


  2、军事方面


  用碳化硅陶瓷与其他材料一起组成的燃烧室及喷嘴,已应用于火箭技术中。碳化硅基复合材料制备的阿丽亚娜火箭尾喷管已成功应用。碳化硅密度居中,比Al2O3 轻20%,硬度和弹性模量较高,价格比B4C低得多,还可用于装甲车辆和飞机机腹及防弹防刺衣等。碳化硅材料还具有自润滑性及摩擦系数小,约为硬质合金的 一半。它的抗热震性好、弹性模量高等特点在一些特殊地方获应用,如用来制成高功率的激光反射镜其性能优于铜质,由于密度低、刚性好、变形小。CVD与反应 烧结的碳化硅轻量化反射镜已经在空间技术中大量使用。


  3、电气和电工


  利用碳化硅陶瓷的高热导性能,绝缘性好作为大规模集成电路的基片和封装材料。碳化硅发热体是一种常用的加热元件,由于它具有操作简单方便,使用寿命长,使用 范围广等优点,成为发热材料中经久耐用且价廉物美的一种,使用温度可达1600℃。此外,碳化硅还可用做避雷器的阀体和远红外线发生器等。


  4、耐磨及高温件


  利用碳化硅陶瓷的高硬度、耐磨损、耐酸碱腐蚀等性能,在机械工业、化学工业中被用来制备新一代的机械密封材料,如滑动轴承、耐腐蚀的管道、阀片和风机叶片。 尤其是作为机械密封材料已被国际上确认为自金属、氧化铝、硬质合金以来第四代基本材料,它的抗酸、抗碱性能与其它材料相比是极为优秀的,几乎没有一种材料 可与之相比。利用碳化硅陶瓷的高热导性能,可用于冶金工业窑炉中的高温热交换器等,使用温度可达1300℃;用电镀方法将碳化硅微粉体涂 敷于水轮机叶轮上,可以大大提高叶轮的耐磨性能,延长其检修周期。用碳化硅制成的托辊,早已成功地应用于轧钢机上,它比金属托辊有更好的耐热性与耐磨性, 并能改善所轧钢材的质量。用碳化硅材料制成的砂泵及水力旋流器,具有很好的耐磨性能;用碳化硅材料制成的缸套等耐磨件可广泛用于石油和化工等行业。碳化硅 还可作为高温热机械用材料,被首选为热机械的耐高温部件。诸如:作高温燃汽轮机的燃烧室、涡轮的静叶片、高温喷嘴等。用碳化硅制成活塞与气缸套用于无润滑 油无冷却的柴油机上,可减少摩擦30%~50%,使噪声明显降低。


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