碳化硅陶瓷的性能与应用
2021-12-07
碳化硅粉体的制备方法较多, 有最古老的阿奇逊 合成法(Acheson), 也有近十几年发展起来的激光法和 有机前驱体法, 以下介绍的是典型的 Acheson 碳化硅 合成方法 。 该方法是采用碳热还原过程将 SiO2 与 C 反应生 成SiC , 反应式如下: SiO2 +3C=SiC +2CO 二氧化硅原料的可选用熔融石英砂或破碎过的石 英岩,碳可用石墨、石油焦或无灰无烟煤制取, 加入 NaCl 和木屑作为添加剂 ,一般在 2 000 ～ 2 400 ℃的电 弧炉中反应合成 。 整个反应炉由可移动的耐火砖组成 ,长 10 ～ 20 m, 宽与高3 ～ 4 m, 可容纳400 t 石墨电极, 放在两端, 通电 后产生高温 。由于反应过程中整个电弧炉很大 ,温度 场的分布不均匀 ,中心温度远高于炉壁温度, 因此造成 在碳化硅的合成炉生成带中产物的不均匀 , 并常有不纯物质,核芯部位的产物是纯的绿色碳化硅, 向外杂质 较多 ,一般杂质为铁 、铝、碳等 ,因此颜色呈黑色。此方 法生产的 SiC 再经分拣与粉碎后分级成不同粒径的颗 粒。根据颜色与纯度来区别 , 则可分为绿色 SiC 与黑 色SiC 。根据颗粒大小来分, 又可分为不同细度颗粒 的碳化硅 。采用该方法生产的也可称为高温法碳化 硅,它的相为α-SiC 。用此方法生产的碳化硅如果要 用到陶瓷生产中 ,还需经过粉碎与提纯处理, 达到所需 的纯度与粒度后方能使用 。
碳化硅的化学稳定性与其氧化特性有密切关系。碳化硅本身很容易氧化, 但它氧化之后形成了一层二氧化硅薄膜, 氧化进程逐步被阻碍。在空气中, 碳化硅于 800 ℃时就开始氧化 ,但很缓慢;随着温度升 高,则氧化速度急速加快 。碳化硅的氧化速率 ,在氧气 中比在空气中快 1 .6 倍 ;氧化速率的速度随着时间推移而减慢。如果以时间推移对氧化的数量描图 ,可以得到典型的抛物线图形 .这反映出二氧化硅保护层对碳化硅氧化速率的阻碍作用。
通过添加碳化硅（SiC）制备出的ZrB2-SiC复合材料拥有更好的综合性能，例如具有较高的二元共晶温度、良好的抗氧化性能等。Clougherty等在上世纪 60 年代把碳化硅（SiC）引入硼化锆（ZrB2），硼化铪（HfB2）中，最初的目的是细化晶粒、提高强度。添加碳化硅（SiC）后，高温下硼化物表面最外层，主要由富含二氧化硅（SiO2）的玻璃层组成，内部则是氧化物（ZrO2、HfO2）层。玻璃层能够阻止氧的扩散，因此硼化锆（ZrB2）在添加20 ～ 30 %体积比的碳化硅（SiC）后，在2000 ℃仍有较高的抗氧化性[41]。Sun等[42]研究氧化锆（ZrO2）纤维增韧相对ZrB2-SiC复合材料的影响，通过热压法在1850 ℃下制备出的ZrB2-SiC-ZrO2f陶瓷的弹性强度与断裂韧性分别为1086 ± 79 MPa和6.9 ± 0.4 MPa·m1/2。在高温时，ZrB2-SiC复合材料的表层会形成硼硅酸盐保护层，该保护层能够保持其抛物线氧化规律到超过1600 ℃。還有的添加物，例如硅化钼（MoSi2）、硅化锆（ZrSi2）、硅化钽（TaSi2）、硼化钽（TaB2）等，也被用于提高硼化锆（ZrB2）和硼化铪（HfB2）的抗氧化性。第二相的添加，使得高温下的材料表层形成高熔点玻璃相，阻止了氧气向材料内部的扩散，提高了材料的高温抗氧化性能。
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