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碳化硅陶瓷的性能及應用

文字:[大][中][小] 手機頁面二維碼 2017/3/4     瀏覽次數:    
  現在隨著科學技術的發展,信息、能源、材料、生物工程已經成為當今社會生產力發展的四大支柱,而碳化硅由于化學性能穩定、導熱系數高、熱膨脹系數小、密度小、耐磨性能好、硬度大、機械強度高、耐化學腐蝕,在材料領域發展迅速,普遍用于陶瓷球軸承、閥門、半導體材料、陀螺、測量儀、航空航天等領域。合肥碳化硅陶瓷噴涂 <http://www.lyxjtc.com/>服務熱線13905518927。
  碳化硅的結構與化學性質。碳化硅以共價鍵為主,共價鍵約占88%。晶格的基本結構是互相穿插的SiC4和CSi4四面體,構成了許多不同的結晶類型。從理論上講,碳化硅均由SiC四面體堆積而成,所不同的只是平行結合或反平行結合。SiC有75種變體,如α-SiC、β-SiC、3C-SiC、4H-SiC、15R-SiC等,所有這些結構可分為立方晶系、六方晶系和菱形晶系,其中α-SiC、β-SiC最為常見。α-SiC是高溫穩定型,β-SiC是低溫穩定型,在2100~2400℃可轉變為α-SiC。β-SiC可在1450℃左右溫度下由簡單的硅和碳混合物制得。
  碳化硅的化學穩定性與其氧化特性有密切關系。碳化硅本身很容易氧化,但它氧化之后形成了一層二氧化硅薄膜,氧化進程逐步被阻礙。在空氣中,碳化硅于800℃時就開始氧化,但很緩慢;隨著溫度升高,則氧化速度急速加快。碳化硅的氧化速率,在氧氣中比在空氣中快1.6倍,氧化速率隨著時間推移而減慢。如果以時間推移對氧化的數量描圖,可以得到典型的拋物線圖形,這反映出二氧化硅保護層對碳化硅氧化速率的阻礙作用。
  氧化時,若同時存在著能將二氧化硅薄膜移去或使之破裂的物質,則碳化硅就易被進一步氧化。例如,鐵、錳等金屬有幾種化合價,其氧化物能將碳化硅氧化,并且又能與二氧化硅生成低熔點化合物,因此就能侵蝕碳化硅。例如,FeO在1300℃、MnO在1360℃能侵蝕碳化硅,而CaO、MgO在1000℃就能侵蝕碳化硅。
  水蒸汽與碳化硅在高溫下反應相當強烈,于1100℃以上時,視情況不同,可生成硅、碳或二氧化硅。碳化硅在1000℃左右時,能與硫化氫等含硫化合物生成紅棕色的硫化硅(SiS2或SiS)。這一反應也是碳化硅制品在燒成時色澤變紅的原因之一。
  碳化硅的優勢
  碳化硅與現在使用廣泛的金屬材料相比,具有以下優點:
  1) 機械強度高,剛性好
  機械強度高可以有效防止材料變形,這點至關重要。碳化硅的機械強度高于剛玉。例如,碳化硅的抗壓強度為224MPa,剛玉僅為75.7MPa;碳化硅的抗彎強度為15.5MPa,而剛玉則為8.72MPa。
  2) 硬度大,耐磨損
  碳化硅的硬度相當高,按莫氏刻痕硬度為9.2~9.6,僅次于金剛石和碳化硼,高于剛玉而名列普通磨料的前茅。與金屬鋼制材料相比,它不僅硬度高,而且在無潤滑狀態下摩擦系數小,摩擦力相對較小,表面粗糙度小,具有良好的耐磨性。此外,它對外界物質的沖擊抵抗能力強,提高了表面的承受能力。
  3) 密度小
  碳化硅材料的密度比金屬小,因而造出的設備更加輕巧。
  4) 耐高溫,熱膨脹系數小
  碳化硅是在高溫下制成的。在某些高溫環境下,要求材料既要有一定的加工強度,又要滿足加工精度,碳化硅陶瓷能達到這兩點。碳化硅的最高使用溫度為800℃左右,而鋼的承受溫度僅為250℃。粗略計算,碳化硅的平均熱膨脹系數在25~1400℃范圍內為4.4×10-6/℃。碳化硅的熱膨脹系數測定結果表明,其量值與其他磨料及高溫材料相比要小得多,如剛玉的熱膨脹系數可高達(7~8)× 10-6/℃。
  5) 導熱系數高
  碳化硅的導熱系數很高,這是碳化硅物理性能方面的另一個重要特點。碳化硅的導熱系數比其他耐火材料及磨料要大的多,約為剛玉導熱系數的4倍。碳化硅所具有的低熱膨脹系數和高導熱系數,使其制件在加熱及冷卻過程中受到的熱應力較小,這就是為什么碳化硅制件特別耐熱震的原因。
  6) 耐腐蝕
  因為碳化硅具有高熔點(分解溫度)、化學惰性和抗熱振性,所以碳化硅能用于磨具、陶瓷制品燒成窯爐中用的棚板和匣缽、煉鋅工業豎缸蒸餾爐用的碳化硅磚、鋁電解槽襯、坩鍋、小件爐材等多種碳化硅陶瓷制品。
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