碳化硅是一種人造材料,只是在人工合成碳化硅之后,才證實隕石中及地殼上偶然存在碳化硅。碳化硅的分子式為 SiC,分子量為 40.07,質量百分組成為 70.04的硅與 29.95 的碳,碳化硅的理論密度為 3.16-3.2g/cm3。
碳化硅陶瓷與其他耐高溫結構陶瓷的物理性能比較
SiC 是以共價鍵為主的共價化合物,由于碳和硅兩元素在形成 SiC 晶體時,它的基本單元是四面體,所有 SiC 均由 SiC 四面體堆積而成,所不同的只是平行結合和反平行結合,從而形成具有金剛石結構的 SiC。SiC 共有 75 種變體,如 3C-SiC、 4HSiC、 15R-SiC 等,其中α -SiC、β -SiC 最為常見。β -SiC 的晶體結構為立方晶系,Si 和 C 分別組成面心立方晶格;α -SiC 存在著 4H、 15R 和 6H 等 100 余種多型體,其中, 6H 多型體為工業應用上最為普遍的一種。在 SiC 的多種型體之間存在著一定的熱穩定性關系,在溫度低于 1600℃時, SiC 以β -SiC 形式存在。當高于 1600℃時,β -SiC 緩慢轉變成α -SiC 的各種多型體。4H-SiC 在 2000℃左右容易生成;15R 和6H 多型體均需在 2100℃以上的高溫才易生成;對于 6H-SiC,即使溫度超過 2200℃,也是非常穩定的。SiC 中各種多型體之間的自由能相差很小,因此,微量雜質的固溶也會引起多型體之間的熱穩定關系變化。
在工業生產中,用于合成 SiC 的石英砂和焦炭通常含有 Al 和 Fe 等金屬雜質。其中雜質含量少的呈綠色,被稱為綠色碳化硅;雜質含量多的呈黑色,被稱為黑色碳化硅。一般碳化硅含量愈高、顏色愈淺,高純碳化硅應為無色。
目前,碳化硅陶瓷的研究熱點是納米級復合材料合成和高溫自蔓燃(SHS 法)納米復相陶瓷。在粉末的制備技術方面,溶膠-凝膠法( Sol- Gel 法)、化學氣相法(CVD 法)和高溫自蔓燃(SHS 法)合成三足鼎立;從低成本和實用化來看,無機溶膠-凝膠法(Sol- Gel 法)和高溫自蔓燃(SHS 法)合成較為優勢;在成形技術方面,膠態分散成形、注漿成形和等靜壓成形引人注目;在燒結技術方面,除刀具外,一般更傾向于常壓燒結或氣氛燒結。
SiC 是強共價鍵結合的化合物, 燒結時的擴散速率相當低,即使在 2100 ℃的高溫下, C 和Si 的自擴散系數也僅為 1.5× 10-10cm2/s 和 2.5× 10-13cm2/s。所以,很難燒結 SiC,必須借助添加劑形成特殊的工藝手段促進燒結。目前制備高溫 SiC 陶瓷的方法主要有無壓燒結、熱壓燒結、熱等靜壓燒結、反應燒結等。常壓燒結被認為是 SiC 燒結最有前途的燒結方法,通過常壓燒結工藝可以制備出大尺寸和復雜形狀的 SiC 陶瓷制品。
由于其優異的奈高溫,耐腐蝕性能,碳化硅陶瓷件已經廣泛應用于高溫軸承、防彈板、噴嘴、高溫耐蝕部件以及高溫和高頻范圍的電子設備零部件等領域。
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