碳化硅陶瓷材料

碳化硅陶瓷材料

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(shí)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(zhì)量百分組成為70.045的硅與29.955的碳，碳化硅的理論密度為3.16-3.2g/cm3。

SiC是以共價(jià)鍵為主的共價(jià)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(jié)合和反平行結(jié)合，從而形成具有金剛石結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(yè)應(yīng)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(wěn)定性關(guān)系，在溫度低于1600℃時，SiC以β-SiC形式存在。當(dāng)高于1600℃時，β-SiC緩慢轉(zhuǎn)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(wěn)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(zhì)的固溶也會引起多型體之間的熱穩(wěn)定關(guān)系變化。

碳化硅陶瓷的制備

制備端，在工業(yè)生產(chǎn)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(zhì)。其中雜質(zhì)含量少的呈綠色，被稱為綠色碳化硅；雜質(zhì)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(yīng)為無色。SiC是強(qiáng)共價(jià)鍵結(jié)合的化合物，燒結(jié)時的擴(kuò)散速率相當(dāng)?shù)?，即使?100℃的高溫下，C和Si的自擴(kuò)散系數(shù)也僅為1.5×10-10cm2/s和2.5×10-13cm2/s。所以，很難燒結(jié)SiC，必須借助添加劑形成特殊的工藝手段促進(jìn)燒結(jié)。目前制備高溫SiC陶瓷的方法主要有無壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)、反應(yīng)燒結(jié)等。