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1 常用的碳化硅陶瓷材料
工業(yè)生產(chǎn)中用到較多的碳化硅陶瓷材料分別是反應(yīng)燒結(jié)碳化硅、無壓燒結(jié)碳化硅、自結(jié)合碳化硅和重結(jié)晶碳化硅，每種碳化硅材料的制備方法及應(yīng)用領(lǐng)域也大不相同。
1.1反應(yīng)燒結(jié)碳化硅
反應(yīng)燒結(jié)碳化硅陶瓷材料（RBSC）具有低密度、耐高溫、抗沖擊、高強(qiáng)度等優(yōu)良特性，多用于高溫窯具、噴火嘴、熱交換器、光學(xué)反射鏡等產(chǎn)品。由于反應(yīng)燒結(jié)工藝制備的RBSC陶瓷材料都帶有一定含量的游離Si,其中Si的斷裂韌性小于1.0MPa.m1/2、抗彎強(qiáng)度小于100MPa，這極大的影響了材料的性能，限制了RBSC陶瓷材料的應(yīng)用[1]。
1.2無壓燒結(jié)碳化硅
無壓燒結(jié)碳化硅陶瓷材料優(yōu)勢(shì)在于生產(chǎn)成本較低，對(duì)產(chǎn)品的形狀尺寸沒有限制，特別是固相燒結(jié)SiC陶瓷的致密度高，顯微結(jié)構(gòu)均勻，材料綜合性能優(yōu)異，多用于各類機(jī)械泵中的密封件、滑動(dòng)軸承及防彈裝甲、光學(xué)反射鏡、半導(dǎo)體晶圓夾具等。
1.3重結(jié)晶碳化硅
重結(jié)晶碳化硅（R-SiC）是以高純度α-SiC為原料在2100-2300℃高溫下制備的一種高溫結(jié)構(gòu)陶瓷[2]，由于使用高純的原料制備，不含晶界雜質(zhì)相而具有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能、抗氧化性、高導(dǎo)熱率以及較小的熱膨脹系數(shù)，多用于高溫窯具、熱交換器或燃燒噴嘴。
1.4自結(jié)合碳化硅
自結(jié)合碳化硅是以α-SiC為骨料起骨架作用，β-SiC作為基質(zhì)與之結(jié)合，從而獲得性能更好的碳化硅材料[3]。多用于冶金行業(yè)，如高爐、鋁電解槽，用量大，價(jià)格低廉。
2 重結(jié)晶碳化硅的特點(diǎn)及其制備工藝
重結(jié)晶碳化硅（R-SiC）是在高溫下（2100-2300℃），通過表面擴(kuò)散和蒸發(fā)-凝聚機(jī)理進(jìn)行原子的傳輸和遷移，使SiC坯體燒結(jié)獲得強(qiáng)度。正是因?yàn)橥姑?正)和凹面(負(fù))曲率之間的蒸氣壓不同，使得小尺寸SiC顆粒首先蒸發(fā)和再次擇優(yōu)沉積在較大SiC顆粒的近頸部表面處,即從帶凸面小晶粒蒸發(fā)的物質(zhì)在帶凹面及平坦表面的晶粒處凝結(jié),這樣大晶粒頸部生長(zhǎng),小晶粒被消耗至消失,SiC晶粒直接結(jié)合,獲得強(qiáng)度。重結(jié)晶SiC的高溫?zé)赏ǔＴ?a href="http://zhanqunliushi.cn/zc/0519.html" target="_blank" style="color:#0000ff">石墨感應(yīng)爐內(nèi)進(jìn)行，于1900℃顆粒表面擴(kuò)散開始重結(jié)晶，獲得最大強(qiáng)度的燒結(jié)溫度在2150-2300℃[4]。
因?yàn)橹亟Y(jié)晶碳化硅具有特殊的燒結(jié)機(jī)理，所以其具備以下特點(diǎn)：
（1）燒結(jié)過程無體積變化。因?yàn)闊Y(jié)過程中未發(fā)生晶體或體積擴(kuò)散，從而使SiC顆粒之間的距離減小，可以制備形狀復(fù)雜、精度較高的部件。
（2）重結(jié)晶SiC素坯經(jīng)燒結(jié)后密度幾乎不增加。
（3）重結(jié)晶SiC不含玻璃相和雜質(zhì)，具有非常清晰潔凈的晶界。因?yàn)槿魏窝趸锘蚪饘匐s質(zhì)在 2150-2300℃的高溫下已經(jīng)揮發(fā)掉。
（4）燒成后孔隙率高。燒成后的重結(jié)晶SiC制品含有10%-20%的殘余氣孔率，從而具有優(yōu)異的耐高溫性能和抗熱震性。
在制備重結(jié)晶碳化硅過程中，影響其性能的因素有很多，如原料純度、顆粒形狀、成型方法及燒結(jié)條件等。
2.1原料
R-SiC制品用原料最基本的要求有兩大點(diǎn)：第一點(diǎn)，原料組成純度高；第二點(diǎn)，顆粒形狀及粒度組成要符合一定要求。
2.1.1原料組成
SiC所用碳化硅原料純度要求很高，要求SiC含量在99%(w)以上，否則會(huì)影響制品的抗氧化性能和抗熱震性能。目前國(guó)內(nèi)碳化硅原料純度低，總雜質(zhì)含量一般在0.35%（w）左右，而國(guó)外進(jìn)口優(yōu)質(zhì)碳化硅原料的總雜質(zhì)含量一般在0.17%（w）左右。孫洪鳴[5]等采用國(guó)內(nèi)碳化硅微粉，對(duì)其燒成后的現(xiàn)象與結(jié)果進(jìn)行分析檢測(cè)，結(jié)果顯示SiC原料雜質(zhì)含量高時(shí)，在高溫下會(huì)SiC導(dǎo)致分解，會(huì)影響重結(jié)晶碳化硅燒結(jié)中碳化硅的蒸發(fā)和凝聚。
2.1.2顆粒形狀及粒度
制備R-SiC所用原料顆粒的形狀對(duì)材料成型性能影響很大，普通碳化硅微粉的形狀不規(guī)則，棱角較長(zhǎng)，會(huì)降低成型坯體的體積密度，一般選用顆粒形狀近似球形的粉體，才能達(dá)到最緊密的堆積。
R-SiC的坯體在整個(gè)燒結(jié)過程中體積基本不變，最初的素坯的顯微結(jié)構(gòu)決定了最終產(chǎn)品的性能，這就要求坯體有較高的致密性。一般R-SiC所用原料要經(jīng)過表面改性，以提高原料分散性，進(jìn)而提高生坯的密度。另外，更重要的是粒度組成應(yīng)滿足R-SiC產(chǎn)品“蒸發(fā)-凝聚”的燒結(jié)機(jī)理，那么這就要求R-SiC材料所用原料必須足夠細(xì)，一般在10μm以下，細(xì)顆粒蒸發(fā)而凝聚在骨料周圍，所以理想的原料粒度分布為雙峰晶粒分布，經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)得出粗料和細(xì)料的配比為6:4[6]。
2.2成型方法
2.2.1注漿成型
注漿成型能制備出任意復(fù)雜外形及大型薄壁注件，坯體結(jié)構(gòu)均勻，注漿工藝是利用多孔模具的吸水性，將制得的陶瓷漿料注入到多孔質(zhì)模具中，經(jīng)出模具的氣孔產(chǎn)生的毛細(xì)管力把漿料中的液體吸出，從而在模具中留下成型坯體利用成型過程中顆粒再致密機(jī)制，坯體密度可以達(dá)到較高的水平。
影響注漿成型的因素有很多，為避免陶瓷制品的缺陷，控制注漿生坯結(jié)構(gòu)均勻是關(guān)鍵，原料的分散與穩(wěn)定是注漿成型的基礎(chǔ)[7]。
2.2.2擠出成型
擠出成型法具有生產(chǎn)連續(xù)、效率高、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。影響擠出成型的因素有碳化硅顆粒的形狀、大小及分布，碳化硅的顆粒級(jí)配，塑化劑的種類及加入量等。擠出成型的方法需要加入一定量的塑化劑、潤(rùn)滑劑改善泥料的塑性，為了制備高密度的重結(jié)晶碳化硅坯體，泥料的含水和塑化劑用量要盡量少，才能滿足高密度的生坯要求；因?yàn)閿D出成型的泥料中，含有較多的添加劑和水，它們?cè)谂黧w中占有大量的體積，填充的大顆粒的空間，致使細(xì)粉用量減少，所以，擠出坯體的最佳級(jí)配向大顆粒用量增加的方向移動(dòng)。
2.2.3 等靜壓成型
等靜壓成型實(shí)際是巴斯克原理，即靜壓傳遞的一種應(yīng)用。在一個(gè)密閉的容器內(nèi)充滿液體，液體一處受壓時(shí)此壓力將傳遞到液體的各點(diǎn)，且各點(diǎn)的壓強(qiáng)相等[8]。通過等靜壓成型，再進(jìn)行燒結(jié)，可以提高重結(jié)晶碳化硅制品的密度，提高重結(jié)晶碳化硅制品的性能和附加值，降低重結(jié)晶碳化硅制品的生產(chǎn)成本。
2.3 燒結(jié)溫度
重結(jié)晶碳化硅材料的燒結(jié)溫度范圍較窄，一般在2200-2450℃。若燒結(jié)溫度過低，重結(jié)晶碳化硅材料強(qiáng)度偏低；但溫度過高，則因碳化硅顆粒之間的碳化硅晶粒生長(zhǎng)尺寸過大，也會(huì)導(dǎo)致材料的強(qiáng)度偏低。郭玉廣[9]的研究表明，燒結(jié)溫度為2420℃時(shí)，重結(jié)晶碳化硅材料的高溫抗折強(qiáng)度最大。
3 重結(jié)晶碳化硅的應(yīng)用及研究進(jìn)展
3.1高溫窯具
重結(jié)晶碳化硅制品主要用作窯具，有節(jié)能、增加窯的有效容積、縮短燒成周期、提高窯的生產(chǎn)效率、經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn)，還可用作燒嘴噴嘴頭、陶瓷輻射加熱管、元件保護(hù)管(特別是用于氣氛爐)等。
3.2 電熱元件
重結(jié)晶碳化硅可作為高溫點(diǎn)火器使用，其工作溫度是接近1500℃的高溫氧化性條件。魏磊[10]等研究了顆粒級(jí)配和塑化劑對(duì)重結(jié)晶碳化硅陶瓷硬塑擠壓成型的影響，分析了燒成后陶瓷成品的結(jié)構(gòu)與性能，研究表明當(dāng)粉體中顆粒粒徑為1400μm、600μm、100μm、5μm的顆粒所占質(zhì)量百分?jǐn)?shù)分別為35%、30%、10%、25%時(shí)，顆粒密堆積效果最好，在粗顆粒加中顆粒與細(xì)顆粒(含塑化液)的體積比為6：4的條件下，經(jīng)擠壓成型獲得的陶瓷生坯的體積密度高達(dá)2.58g⋅cm-3。
3.3汽車尾氣凈化器
因R-SiC具有高強(qiáng)度、耐高溫、耐侵蝕等優(yōu)勢(shì)，用于柴油車煙粒過濾器更耐煙粒中的化學(xué)物質(zhì)侵蝕，能處理更高溫度和高濃度的煙塵(幾乎不受濾除組分影響)。適應(yīng)大功率的尾氣排放，并具有更低的再生處理溫度，從而具有更高的抗熱沖擊能力、工作溫度和使用壽命。
4 結(jié)語
重結(jié)晶碳化硅因具有優(yōu)良的綜合性能被廣泛關(guān)注，其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大。目前重結(jié)晶碳化硅還需要研究開發(fā)出致密性更高的材料，拓寬在高溫領(lǐng)域間的應(yīng)用；此外，還需研究改善工藝，將成本降低，制備出性價(jià)比更高的產(chǎn)品。
參考文獻(xiàn)：
[1]曾凡. 反應(yīng)燒結(jié)碳化硅陶瓷的制備及碳化硅納米線增強(qiáng)研究[D].浙江理工大學(xué),2018.
[2]郭玉廣. 重結(jié)晶碳化硅陶瓷窯具的特性及生產(chǎn)技術(shù)[J]. 陶瓷,1998,(05):37-38.
[3]李亞格,勞新斌,江偉輝,劉健敏. 鋁粉添加量對(duì)自結(jié)合碳化硅材料結(jié)構(gòu)與性能的影響[J]. 人工晶體學(xué)報(bào),2019,48(10):1933-1937.
[4]李辰冉,謝志鵬,康國(guó)興,安迪,魏紅康,趙林. 國(guó)內(nèi)外碳化硅陶瓷材料研究與應(yīng)用進(jìn)展[J]. 硅酸鹽通報(bào),2020,39(05):1353-1370.
[5]孫洪鳴,趙亞濱,李婭潔,何新濤,王立華,郝巖. 重結(jié)晶碳化硅燒成中碳化硅的分解現(xiàn)象、熱力學(xué)條件及對(duì)蒸發(fā)凝聚的影響[J]. 中國(guó)陶瓷工業(yè),2012,19(01):11-14.
[6]黃進(jìn),吳昊天,萬龍剛. 重結(jié)晶碳化硅材料的制備與應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 耐火材料,2017,51(01):73-77.
[7]Kriegesmann J. Recrystallized silicon carbide:processing aspects and sintering behavior[J].International Ceramic Review，1989,32(1):64-67.
[8] 朱志斌,田雪冬. 等靜壓技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展[J]. 現(xiàn)代技術(shù)陶瓷,2010,31(01):17-24.
[9]郭玉廣. 燒結(jié)溫度對(duì)重結(jié)晶碳化硅抗氧化性的影響[J]. 耐火材料,1998,(05):301.
[10]魏磊. 碳化硅電熱材料的制備及其結(jié)構(gòu)與性能的研究[D].武漢理工大學(xué),2008.
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/空青）
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