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碳化硅陶瓷的燒結(jié)方式和應(yīng)用

來源:錦榮耐磨材料點擊: 發(fā)布時間:2020-09-23

1、無壓燒結(jié)

 

1974年美國GE公司通過在高純度β-SiC細粉中同時加入少量的B和C,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。

 

最近,有研究者在亞微米SiC粉料中加入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化的微觀結(jié)構(gòu),因而,其強度和韌性大大改善。

 

2、熱壓燒結(jié)

 

50年代中期,美國Norton公司就開始研究B、Ni、Cr、Fe、Al等金屬添加物對SiC熱壓燒結(jié)的影響。實驗表明:Al和Fe是促進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,也實現(xiàn)了SiC的致密化,并認為其機理是液相燒結(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。

 

3、熱等靜壓燒結(jié)

 

近年來,為進一步提高SiC陶瓷的力學(xué)性能,研究人員進行了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。更進一步,通過該工藝,在2000℃和138MPa壓力下,成功實現(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。

 

4、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)乃嘏髅芏取?/p>

 

綜述:實驗表明,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。假如就燒結(jié)密度和抗彎強度來說,熱壓燒結(jié)和熱等靜壓燒結(jié)SiC陶瓷相對較高,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陶瓷對強酸、強堿具有良好的抵抗力,但反應(yīng)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,幾乎所有SiC陶瓷強度均有所提高;當(dāng)溫度超過1400℃時,反應(yīng)燒結(jié)SiC陶瓷抗彎強度急劇下降。(這是由于燒結(jié)體中含有一定量的游離Si,當(dāng)超過一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陶瓷,其耐高溫性能主要受添加劑種類的影響。

 

碳化硅陶瓷的應(yīng)用

 

由于碳化硅陶瓷所具有的高硬度、高耐腐蝕性以及較高的高溫強度,使得碳化硅陶瓷得到了廣泛的應(yīng)用。主要有以下幾個方面:

 

密封環(huán):碳化硅陶瓷的耐化學(xué)腐蝕性好、強度高、硬度高,耐磨性能好、摩擦系數(shù)小,且耐高溫,因而是制造密封環(huán)的理想材料。它與石墨材料組合配對時,其摩擦系數(shù)比氧化鋁陶瓷和硬質(zhì)合金小,因而可用于高PV值,特別是輸送強酸、強堿的工況中使用。

 

研磨介質(zhì):碳化硅陶瓷由于其高硬度的特點而廣泛用于耐磨機械零件中,特別是球磨機中的研磨介質(zhì)(磨介)。球磨機中所用的磨介對研磨效率有著重要的影響,其基本要求是硬度高、韌性好,以保證研磨效率高、摻雜少的要求。

 

防彈板:碳化硅陶瓷由于硬度高、比重小、彈道性能較好、價格較低,而廣泛用于防彈裝甲中,如車輛、艦船的防護以及民用保險柜、運鈔車的防護中。碳化硅陶瓷的彈道性能優(yōu)于氧化鋁陶瓷,約為碳化硼陶瓷的70-80%,但由于價格較低,特別適合用于用量大,且防護裝甲不能過厚、過重的場合。

 

噴嘴:作噴嘴的陶瓷材料有多種,常用的是氧化鋁、碳化硅和碳化硼陶瓷等。氧化鋁陶瓷噴嘴的價格低,但由于硬度低,其耐磨性較差,多用于噴砂工作量不大的場合。碳化硅陶瓷的使用壽命是氧化鋁陶瓷的3-5倍,與硬質(zhì)合金相當(dāng),多用于硬質(zhì)合金的替代品,特別是在手持噴***的工況中使用。

 

磁力泵泵件:隨著工業(yè)化的發(fā)展,特別是ISO14000國際標準的貫徹執(zhí)行,對不利于環(huán)境保護液體的輸運提出了更高的要求。磁力泵由于采用靜密封代替機械密封、填料密封等動密封,因而泄漏更小、可靠性更高、使用壽命更長。

 

高溫耐蝕部件:碳化硅陶瓷最重要的特性之一是它的高溫強度,即在1600oC時強度基本不降低,且抗氧化性能非常好,因而可在高溫結(jié)構(gòu)件中使用。如高溫爐的頂板、支架,以及高溫實驗用的卡具等。

 

小結(jié):SiC陶瓷在許多工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用顯示了優(yōu)良的性能,因而引起了人們的普遍重視。在無機非金屬材料領(lǐng)域中SiC陶瓷是一個很大的家族,其觸角幾乎伸遍了所有的工業(yè)領(lǐng)域。但是由于SiC陶瓷的難燒結(jié)性,因而它的制作工藝和生產(chǎn)都較昂貴,降低SiC陶瓷的燒成溫度和尋找新的廉價的生產(chǎn)工藝仍是材料工作者的研究重點。同時挖掘和開發(fā)SiC陶瓷(粉末)的所有優(yōu)點造福于人類也是我們工作的重點。SiC陶瓷有它廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。

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