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生产碳化硅材料的多种方法总结

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生产碳化硅材料的多种方法总结

发布日期:2017-11-03 作者:浙江长兴久鑫耐火材料 点击:

碳化硅特种陶瓷材料

 1.引言

  碳化硅特种陶瓷材料具有优异的高温强度、耐磨性、耐腐蚀性及良好的导电、导热性, 在航空、航天、汽车、机械、石化、冶金和电子等行业得到了广泛的应用。但由于碳化硅的强共价键特性,十分难以烧结。碳化硅陶瓷的制备方法很多,下面将介绍几种主要的制备方法。

  2. 碳化硅特种陶瓷材料的制备方法

  2.1 反应烧结碳化硅

反应烧结碳化硅

  将α—SiC粉末和碳按一定比例混合制成坯体,在1400—1650℃之间加热,使液相或气相Si渗入坯体,与碳反应生成β—SiC,把坯体中α—SiC颗粒结合起来,从而得到致密SiC材料,这种工艺又称自结合碳化硅。反应烧结工艺制备碳化硅材料的优点是烧结温度低,制成品无体积收缩,无气孔,形状保持不变,其主要缺点是烧结体中含有8%-12%的游离硅与少量残留碳,从而限制了材料的最高使用温度(<1350℃),同时也不适合在强氧化与强腐蚀环境中使用。
  按起始素坯中是否含有碳化硅颗粒,可将反应烧结碳化硅分为反应结合碳化硅和反应形成碳化硅。

  2.1.1 反应结合碳化硅

反应结合碳化硅

  反应结合碳化硅是指素坯中含有碳化硅和碳粉,在反应过程中碳和硅反应生成新的碳化硅相与原碳化硅相结合,从而形成碳化硅复合材料。其制备工艺如下:将碳化硅粉、碳粉和有机粘结剂混合,经过成型、干燥、脱粘,最后渗硅而制得。这是现在普遍采用的一种方法。
  这种方法制备的反应烧结碳化硅中一般含有粗大的碳化硅晶粒,且自由硅的含量较高,但是此种方法工艺过程简单,且成本较低。

  2.1.2 反应形成碳化硅

反应形成碳化硅

  反应形成碳化硅是指素坯中只含有碳,这种多孔碳的素坯与硅或硅合金反应从而制备出碳化硅复合材料。其主要原理是:将可转变为碳的前驱体、孔形成剂及溶剂混合,在酸的催化作用下,使碳的前驱体聚合,随着聚合过程的进行所形成的聚合物与孔形成剂和溶剂相分离,形成富聚合物相和富孔形成剂和溶剂的双连续相的固体,将此固体热裂解,在热裂解的过程中,聚合物相转化为碳,而孔形成剂和溶剂蒸发或分解产生气孔,从而获得多孔碳。多孔碳再进行渗硅或硅合金制取反应烧结碳化硅材料。
  用此法制备的反应烧结碳化硅的优点是:通过调节起始组分的浓度、聚合和热处理温度,所得多孔碳的密度、孔径的大小和分布及孔的形貌在很大范围内可调;因是采用湿化学的方法,素坯的结构均匀;素坯中只含有碳而不包含原生的碳化硅,这样制品最终的显微结构均一,更有利于提高制品的力学、热学及光学性能。用此种工艺制备的反应形成碳化硅其强度可达600—700MPa。此法的缺点在于制备过程较复杂,成本较高,且在热裂解的过程中有大量的气体放出,素坯易开裂,较难制得大尺寸的制品。
  另外,现在有采用石油焦为原料制备全碳质素坯,再经渗硅而制取反应生成碳化硅。但是现在所制备的材料的性能较低,强度一般低于400MPa,且所得的碳化硅的均匀性不好。但是由于采用了价格低廉的石油焦为原料,成本较低。

  2.2 无压烧结(常压烧结)碳化硅

无压烧结(常压烧结)碳化硅

  碳化硅是共价键很强的材料,难以直接烧结致密,必须加入烧结助剂才能实现无压烧结。Be,B,Al,N,P,As等易溶入碳化硅中,而B的溶解度最大。B可以以B4C的形式加入;此外碳的加入有利于使碳化硅颗粒表面的氧化膜的高温时还原,增加颗粒表面能。目前常用的添加剂为Al+B4C+C或Al2O3+Y2O3。
  采用β—SiC超细粉和B、C的体系,在1900—2100℃加热烧结,密度可达到或超过理论密度的95%。
  无压烧结的优点是:可以采用多种成形工艺制备各种形状的制品,在适当添加剂的作用下可获得较高的强度和韧性,其不足之处在于烧结温度较高,得到的材料具有一定的气孔率,强度相对较低,并且伴随15%左右的烧成体积收缩,此外在烧结过程中可能出现化学成分和密度的不均匀,影响其性能的均匀性。

  2.3 热压烧结碳化硅

热压烧结碳化硅

  热压烧结生产工艺生产的碳化硅其性能优良。特别是耐热冲击性优秀,并具有高密度,高强度。密度可达理论密度的99%以上。据报导强度可达110kg/mm2,在1600℃时仍有105kg/mm2。但它的最大缺点是生产工艺复杂,生产产量低成本高。随着连续热压炉的出现、产量低的缺点有所改善。但它的生产成本还是无法与其它工艺生产的碳化硅的成本竞争。
  与无压烧结类似,热压烧结碳化硅在无烧结助剂的情况下,仍然无法得到完全致密材料。其常用的烧结助剂为B+C、B4C、Al2O3、AlN、,BN、BeO、Al等。烧结助剂种类与含量不同,所得的材料的性能也不同;此外,影响热压碳化硅材料烧结性能的因素还有原材料颗粒度、原材料中的α—SiC含量、热压压力与温度等因素。一般采用的热压温度为1950—2300℃,压力20—40MPa,热压烧结的碳化硅制品,密度高,抗弯强度高;但只能生产形状简单的产品,且生产成本高。
  热压烧结法与常压烧结法的不同之处就是可将碳化硅的含量从1%到99%以任意比例配合,所以能得到连续变化的复合材料的电阻率。可是由于热压是单一方向加压,所以烧结体中的粒子发生离位定向使弯曲强度、电阻率等物理性能有根强的异向性。

  2.4 再结晶碳化硅

再结晶碳化硅

  碳化硅粉料中不加添加剂, 直接将成型的毛坯在2000℃以上的温度烧结, 其主要的烧结机理为蒸发—凝聚。烧结时无体积变化,收缩很小,气孔率较高 (20% ),强度较低(100M Pa)。由于在2000℃以上烧结,粉料中存在的β—SiC 将转变为α—SiC,得到的材料具有单相性,从而具有良好的导电性、导热性、耐化学腐蚀性和热稳定性。但因其强度较低,仅应用于高温导电及耐火材料方面。
  3 结束语
  生产碳化硅材料的方法很多,生产方法不同,产品的性能也有很大不同。总的来看反应烧结的优点较多。其主要优点有:处理温度低,一般来讲,由于碳化硅的共价键特性,它的烧结通常需要很高的制备温度(〉1900℃),而反应烧结仅需在浸渗剂的液相线以上几十度进行,比其他烧结工艺低数百度;可以制备大尺寸、形状复杂的制品;由于素坯成型方法较多,而且烧结过程无需加压,所以原则上讲,制品的尺寸仅受烧结炉大小的限制,其形状复杂程度则由其成型工艺决定;样品处理过程中尺寸变化小且制品完全致密;制品处理时间短,不需特殊、昂贵的设备。


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