碳化硅陶瓷的制备技术.ppt
碳化硅陶瓷的制备技术及应用,一、碳化硅的前沿二、SiC粉末的合成三、SiC的烧结方法四、反应烧结碳化硅的成型工艺五、碳化硅陶瓷的应用,1、前沿：碳化硅陶瓷材料具有高温强度大，高温抗氧化性强、耐磨损性能好，热稳定性佳，热膨胀系数小，热导率大，硬度高，抗热震和耐化学腐蚀等优良特性.在汽车、机械化工、环境保护、空间技术、信息电子、能源等领域有着日益广泛的应用，已经成为一种在很多工业领域性能优异的其他材料不可替代的结构陶瓷。,碳化硅陶瓷的制备技术及应用,不可替代哦,2、SiC粉末的合成：SiC在地球上几乎不存在，仅在陨石中有所发现。因此，工业上应用的SiC粉末都为人工合成。目前，合成SiC粉末的主要方法有：1、Acheson法：这是工业上采用最多的合成方法，即用电将石英砂和焦炭的混合物加热至2500左右高温反应制得。因石英砂和焦炭中通常含有Al和Fe等杂质，在制成的SiC中都固溶有少量杂质。其中，杂质少的呈绿色，杂质多的呈黑色。,2、化合法：在一定的温度下，使高纯的硅与碳黑直接发生反应。由此可合成高纯度的SiC粉末。3、热分解法：使聚碳硅烷或三氯甲基硅等有机硅聚合物在12001500的温度范围内发生分解反应，由此制得亚微米级的SiC粉末。,4、气相反相法：使SiCl4和SiH4等含硅的气体以及CH4、C3H8、等含碳的气体在高温下发生反应，由此制备纳米级的SiC超细粉。,3、SiC的烧结 由于碳化硅陶瓷的高性能和在工业领域中的广泛应用，SiC的烧结一直是材料界研究的热点，如何采用较简单的生产工艺在较低的温度下制备得到高致密度的碳化硅陶瓷制品也是研究者一直关心的课题；但由于碳化硅是一种共价性极强的共价键化合物，所以 SiC 很难烧结，必须借助烧结助剂或外部压力才可能在 2000以下实现致密化。,有研究在2050和 SiC+1%B4C+3%C体系热压保温45分钟工艺条件下，密度达到理论致密度的98.75%。由于热压工艺自身的缺点而无法应用在商业化生产中，因此无压烧结成了高性能碳化硅陶瓷工业化首选的制备方法。,3、碳化硅烧结反应工艺流程图,1、无压烧结 1974年美国GE公司通过在高纯度SiC细粉中同时加入少量的B和C，采用无压烧结工艺，于2020成功地获得高密度SiC陶瓷。目前，该工艺已成为制备SiC陶瓷的主要方法。最近，有研究者在亚微米SiC粉料中加入Al2O3和Y2O3，在18502000温度下实现SiC的致密烧结。由于烧结温度低而具有明显细化的微观结构，因而，其强度和韧性大大改善。,2、热压烧结 50年代中期，美国Norton公司就开始研究B、Ni、Cr、Fe、Al等金属添加物对SiC热压烧结的影响。实验表明：Al和Fe是促进SiC热压致密化的最有效的添加剂。有研究者以Al2O3为添加剂，通过热压烧结工艺，也实现了SiC的致密化，并认为其机理是液相烧结。此外，还有研究者分别以B4C、B或B与C，Al2O3和C、Al2O3和Y2O3、Be、B4C与C作添加剂，采用热压烧结，也都获得了致密SiC陶瓷。,3、热等静压烧结：近年来，为进一步提高SiC陶瓷的力学性能，研究人员进行了SiC陶瓷的热等静压工艺的研究工作。研究人员以B和C为添加剂，采用热等静压烧结工艺，在1900便获得高密度SiC烧结体。更进一步，通过该工艺，在2000和138MPa压力下，成功实现无添加剂SiC陶瓷的致密烧结。研究表明：当SiC粉末的粒径小于06m时，即使不引入任何添加剂，通过热等静压烧结，在1950即可使其致密化。,4、反应烧结：SiC的反应烧结法最早在美国研究成功。反应烧结的工艺过程为：先将SiC粉和石墨粉按比例混匀，经干压、挤压或注浆等方法制成多孔坯体。在高温下与液态Si接触，坯体中的C与渗入的Si反应，生成SiC，并与SiC相结合，过量的Si填充于气孔，从而得到无孔致密的反应烧结体。反应烧结SiC通常含有8的游离Si。因此，为保证渗Si的完全，素坯应具有足够的孔隙度。一般通过调整最初混合料中SiC和C的含量，SiC的粒度级配，C的形状和粒度以及成型压力等手段来获得适当的素坯密度。,以下是对四种烧结方法的一些概括：实验表明，采用无压烧结、热压烧结、热等静压烧结和反应烧结的SiC陶瓷具有各异的性能特点。假如就烧结密度和抗弯强度来说，热压烧结和热等静压烧结SiC陶瓷相对较高，反应烧结SiC相对较低。另一方面，SiC陶瓷的力学性能还随烧结添加剂的不同而不同。无压烧结、热压烧结和反应烧结SiC陶瓷对强酸、强碱具有良好的抵抗力，但反应烧结SiC陶瓷对HF等超强酸的抗蚀性较差。就耐高温性能比较来看，当温度低于900时，几乎所有SiC陶瓷强度均有所提高；当温度超过1400时，反应烧结SiC陶瓷抗弯强度急剧下降。（这是由于烧结体中含有一定量的游离Si，当超过一定温度抗弯强度急剧下降所致）对于无压烧结和热等静压烧结的SiC陶瓷，其耐高温性能主要受添加剂种类的影响,粉料成型技术的目的是为了得到内部均匀和高密度的坯体，提高成型技术是提高陶瓷产品可靠性的关键步骤。成型是陶瓷生产过程的一个重要步骤。成型过程就是将分散体系(粉料、塑性物料、浆料)转变为具有一定几何形状和强度的块体，也称素坯。成型的方法很多，且各有优缺点，主要可分为干法成型和湿法成型，其中干法成型包括模压成型和等静压成型，湿法成型包括注浆成型、流延成型、直接凝固注模成型、挤出成型、注射成型等成型方法。下面主要介绍模压成型、等静压成型、注浆成型、直接凝固注模成型、挤压成型和注射成型这几种主要的陶瓷成型工艺的成型原理、基本工艺及特点。,五、反应烧结碳化硅成型工艺,模压成型(Stamping Process)将一定量的粉料填充模具内，在一定载荷下压制成型。该成型由于载荷为单向的，也称为单向压制成型。在成型过程中，由于模具填充的不均匀和压制过程本身造成坯体内密度存在变化。由于干压成形的坯料水分少，压力大，坯体比较致密，因此能获得收缩小，形状准确，无需大力干燥的生坯。干压成形过程简单，生产量大，缺陷少，便于机械化，因此对于成型形状简单、小型的坯体颇为合适。但对于形状复杂、大型的制品采用一般的干压成形就有困难。在此基础上，有人提出了双向加压、振动压制和磁场压制。,反应烧结碳化硅成型工艺,等静压成型(Isostatic Pressing)等静压成型是将待压试样置于高压容器中，利用液体、气体、橡胶等介质不可压缩的性质和均匀传递压力的性质从各个方向对试样进行均匀加压，当液体介质通过压力泵注入压力容器时，根据流体力学原理，其压强大小不变且均匀地传递到各个方向。此时高压容器中的粉料在各个方向上受到的压力是均匀的和大小一致的。通过上述方法使瘠性粉料成型致密坯体的方法称为等静压法。优点是粉料与模具壁的摩擦力小，坯体受力均匀，密度分布均一。,反应烧结碳化硅成型工艺,注浆成型（Slip Casting）SiC工艺利用石膏模具的吸水性，将制得的陶瓷浆料注入多孔质模具，由模具的气孔把浆料中的液体吸出，而在模具中留下坯体。注浆成型工艺成本低，过程简单，易于操作和控制，但成型形状粗糙，注浆时间较长，坯体密度、强度也不高。人们在传统注浆成型的基础上，相继发展产生了新的压滤成型(Pressure Filtration)和离心注浆成型(Centrifugal Casting)，借助于外加压力和离心力的作用，来提高素坯的密度和强度，避免了注射成型中复杂的脱脂过程，但由于坯体均匀性差，因而不能满足制备高性能高可靠性陶瓷材料的要求。,反应烧结碳化硅成型工艺,挤压成型(Extrusion)将粉料、粘结剂、润滑剂等与水均匀混合，然后将塑性物料挤压出刚性模具即可得到管状、柱状、板状以及多孔柱状成型体。其缺点主要是物料强度低，容易变形，并可能产生表面凹坑和起泡、开裂以及内部裂纹等缺陷。挤压成型用的物料以粘结剂和水做塑性载体，尤其需用粘土以提高物料相容性，故其广泛应用于传统耐火材料如炉管、护套管以及一些电子材料的成型生产。,反应烧结碳化硅成型工艺,五、碳化硅陶瓷的应用由于碳化硅陶瓷所具有的高硬度、高耐腐蚀性以及较高的高温强度，使得碳化硅陶瓷得到了广泛的应用。主要有以下几个方面：密封环：碳化硅陶瓷的耐化学腐蚀性好、强度高、硬度高，耐磨性能好、摩擦系数小，且耐高温，因而是制造密封环的理想材料。它与石墨材料组合配对时，其摩擦系数比氧化铝陶瓷和硬质合金小，因而可用于高PV值，特别是输送强酸、强碱的工况中使用。,研磨介质：碳化硅陶瓷由于其高硬度的特点而广泛用于耐磨机械零件中，特别是球磨机中的研磨介质（磨介）。球磨机中所用的磨介对研磨效率有着重要的影响，其基本要求是硬度高、韧性好，以保证研磨效率高、掺杂少的要求。,防弹板：碳化硅陶瓷由于硬度高、比重小、弹道性能较好、价格较低，而广泛用于防弹装甲中，如车辆、舰船的防护以及民用保险柜、运钞车的防护中。碳化硅陶瓷的弹道性能优于氧化铝陶瓷，约为碳化硼陶瓷的70-80%，但由于价格较低，特别适合用于用量大，且防护装甲不能过厚、过重的场合。,喷嘴：作喷嘴的陶瓷材料有多种，常用的是氧化铝、碳化硅和碳化硼陶瓷等。氧化铝陶瓷喷嘴的价格低，但由于硬度低，其耐磨性较差，多用于喷砂工作量不大的场合。碳化硅陶瓷的使用寿命是氧化铝陶瓷的倍【】，与硬质合金相当，多用于硬质合金的替代品，特别是在手持喷枪的工况中使用。,磁力泵泵件：随着工业化的发展，特别是ISO14000国际标准的贯彻执行，对不利于环境保护液体【】的输运提出了更高的要求。磁力泵由于采用静密封代替机械密封、填料密封等动密封，因而泄漏更小、可靠性更高、使用寿命更长。,高温耐蚀部件：碳化硅陶瓷最重要的特性之一是它的高温强度，即在1600oC时强度基本不降低，且抗氧化性能非常好，因而可在高温结构件中使用。如高温炉的顶板、支架【】，以及高温实验用的卡具等。,总结：SiC陶瓷在许多工业领域中的应用显示了优良的性能，因而引起了人们的普遍重视。在无机非金属材料领域中SiC陶瓷是一个很大的家族，其触角几乎伸遍了所有的工业领域。但是由于SiC陶瓷的难烧结性，因而它的制作工艺和生产都较昂贵，降低SiC陶瓷的烧成温度和寻找新的廉价的生产工艺仍是材料工作者的研究重点。同时挖掘和开发SiC陶瓷（粉末）的所有优点造福于人类也是我们工作的重点【】。SiC陶瓷有它广阔的发展和应用前景。,我们期待哦！,谢谢观赏!,
