碳化硅陶瓷【摘要】碳化硅陶瓷是一种极其重要的材料，它在工程领域和各行各业都有广泛 的应用文章简述了碳化硅陶瓷的发展过程，综述了其在陶瓷球、磨料磨具、碳 化硅陶瓷基复合材料以及其他方面的应用展望了碳化硅陶瓷在工业领域的应用 前景以及高技术碳化硅陶瓷的重要应用，提出发展碳化硅陶瓷生产技术应有紧迫 感关键词】碳化硅； 陶瓷球； 磨料磨具； 复合材料Abstract: 碳化硅 ceramics is a very important material ，it is applied widely in project field and many other industries． The article summarized 碳化硅 ceramics' development history and application inceramic balls , abrasives , 碳化硅 ceramic matrix composite and other aspects. In addition , 碳化硅 ceramics' prospective application in the high technology and the importance of high technology 碳化硅 ceramics are proposed with impressive sense.Key words: 碳化硅; ceramic balls; abrasives; matrix composite引言21 世纪，随着科学技术的发展，信息、能源、材料、生物工程已经成为当 今社会生产力发展的四大支柱，碳化硅由于化学性能稳定、导热系数高、热膨胀 系数小、密度小、耐磨性能好、硬度大、机械强度高、耐化学腐蚀等特点［1-2］， 在材料领域发展迅速。
碳化硅陶瓷因具有密度低、热膨胀系数小、硬度高、耐高 温，弹性模量大、耐腐蚀等特点，普遍用于陶瓷球轴承、阀门、半导体材料、陀 螺、测量仪、航空航天等领域碳化硅陶瓷是从20 世纪 60 年代开始发展起的， 之前碳化硅主要用于机械磨削材料和耐火材料世界各国对先进陶瓷的产业化十 分重视，现在已经不仅仅满足于制备传统碳化硅陶瓷，生产高技术陶瓷的企业发 展更快，尤其是在发达国家近几年以碳化硅陶瓷为基地复相陶瓷相继出现，改 善了单体材料的韧性和强度分析借鉴国外先进陶瓷技术，有助于我国陶瓷产品 的发展碳化硅主要有四大应用领域，即功能陶瓷、高级耐火材料、磨料及冶金 原料文章先从碳化硅的物理化学性质出发，通过对其性质的研究来阐述各个领 域碳化硅的应用和产生的意义一、碳化硅陶瓷的结构和性能碳化硅陶瓷具有高温强度和抗氧化性好、耐磨性能和热稳定性高、热膨胀系 数小、热导率高、化学稳定性好等优点，在航空、航天、汽车、机械、石化、冶 金和电子等行业得到了广泛的应用，除了用作研磨剂和耐火材料，碳化硅产品在 耐磨损部件和精密加工元件中的应用也逐渐增加由于大部分碳化硅制品都属于 高附加值产品，市场前景广阔，因此如何获得高密度的碳化硅陶瓷一直是各国科 学家密切关注的话题，这使得研究其结构显得很有必要。
对碳化硅结晶结构的研究，揭示出它有许多不同结晶类型从理论上讲，碳 化硅均由碳化硅四面体堆积而成， 所不同的只是平行结合或反平行结合碳化 硅有75种变体，如阿尔法碳化硅、贝塔碳化硅、3C-碳化硅、4H-碳化硅、15R -碳化硅等 ，所有这些结构可分为立方晶系、六方晶系和菱形晶系 ，其中阿尔 法碳化硅、B -碳化硅最为常见阿尔法碳化硅是高温稳定型，贝塔碳化硅是 低温稳定型贝塔碳化硅在2100〜2400 °C可转变为阿尔法碳化硅，贝塔碳化硅 可在1450 C左右温度下由简单的硅和碳混合制得利用透射电子显微镜和X— 射线衍射检测技术可对 碳化硅 显微体进行多型体分析和定量测定碳化硅的硬度相当高 ，仅次于几种超硬材料，高于刚玉而名列普通磨料的 莫氏刻痕硬度为9.2,克氏显微硬度为2200〜2800 kg/mm（负荷100 g）o值得 指出的是，所给范围之所以如此大，这是因为碳化硅晶体的硬度与其晶轴方向有 关研究材料指出，在一个结晶体内，由于方向不同，最硬的与最软的 ，其差别 可达800 kg/mm以上碳化硅的热态硬度虽然随着温度的升高而下降，但仍比刚 玉的硬度大很多 绿色碳化硅和黑色碳化硅的硬度，不论在常温或是在高温下 都基本相同，没有发现本质上的差别；一种含铈的碳化硅，其硬度则略高于一般碳 化硅。
碳化硅的机械强度高于刚玉如碳化硅的抗压强度为 224兆帕 ，刚玉为 75.7兆帕 ；碳化硅的抗弯强度为15. 5 兆帕 刚玉则为8.72 兆帕 碳化硅颗 粒的韧性，通常是用—定数量某种粒度碳化硅颗粒在定型模子中，施加规定压力 之后未被压碎的颗粒所占百分率来反映的，它受颗粒形状等许多因素的影响二、碳化硅陶瓷的用途所谓性能决定用途，碳化硅的硬度很大，可制备成各种磨削用的砂轮、砂纸 和磨料，主要用于机械加工行业碳化硅的莫氏硬度为9.2〜9. 6,仅次于金 刚石和碳化硼，是一种常用的磨料碳化硅磨料的化学成分包括碳化硅、游离碳 和Fe2O3,碳化硅的含量越高，其硬度与磨削性能就越好我国工业碳化硅主要 作磨料用磨料在工业上应用非常广泛，特别是加工高精度的零件或者很硬的零 件，磨料磨具必不可少对于刀具的刃磨和坚硬材料的切割，砂轮也是必不可少 的工具碳化硅砂轮是用磨料和结合剂树脂等制成的中央有通孔的圆形固结磨 具，它在模具中使用量最大碳化硅主要分为黑碳化硅和绿碳化硅两种黑碳化 硅相对绿碳化硅硬度较低，用来磨硬度较低的材料，如铸铁和非金属材料； 绿 碳化硅适合磨削硬质合金，光学玻璃、钛合金之类的东西还有一种立方碳化硅 专用于微型轴承的超精磨，采用W3.5立方碳化硅微粉制成的油石对轴（ZGCrl5） 超精磨，其粗糙度可由Ra 0.2 mm直接磨到Ra 0.025 mm以上。
因此，在相同 粒度的其他磨料中，立方碳化硅的加工效率最高炼钢时通常要使用硅铁脱氧，近代发展了用碳化硅代替硅铁作脱氧剂，炼出 的钢质量更好，更经济因为用碳化硅脱氧时，成渣少而且很快，有效地减少了 渣 中某些有用元素的含量，炼钢时间短而成分更好控制脱氧剂黑色碳化硅在 美国和日本等国家的钢铁工业中用得很普遍磨料用或耐火材料用碳化硅在炉中 所生成的适合于作脱氧剂的物料，都能全部销售应用于生产而无须回炉，产品综 合利用率高，碳化硅生产的经济效果极佳在耐磨及高温件方面，利用碳化硅陶 瓷的高硬、耐磨损、耐酸碱腐蚀性在机械工业、化学工业中用来制备新一代的机械密封材料，滑动轴承、耐腐 蚀的管道、阀片和风机叶片尤其是作为机械密封材料已被国际上确认为自金属、 氧化铝、硬质合金以来第四代基本材料，它的抗酸、抗碱性能与其它材料相比是 极为优秀的，几乎没有一种材料可与之相比利用碳化硅陶瓷的高热导性能，用 于冶金工业窑炉中的高温热交换器等，使用温度可达1300 °C；用碳化硅砂辊磨 米，较之用其他砂辊可提高大米的质量，出米率提高1%〜2%，成本下降30%〜40% 用电镀方法将碳化硅微粉涂敷于水轮机叶轮上，可以大大提高叶轮的耐磨性能， 延长其检修周期。
用机械压力将立方碳化硅磨粉末W28微粉压入内燃机的汽缸壁 上，可延长缸体使用寿命达1倍以上使用碳化硅与硼砂的混合物对45#钢收割 机刀片进行表面渗硼化学热处理，可使其渗硼层的硬度达到克氏显微硬度 1 800〜2 000 kg/mm，从而使其使用寿命延长数倍用碳化硅制成的托辊早已成 功地应用于轧钢机上，它比金属托辊有更好的耐热性与耐磨性，并能改善 所轧 钢材的质量.用碳化硅材料制成的砂泵及水力旋流器，具有很好的耐磨性能；用 碳化硅材料制成的缸套等耐磨件可广泛用于石油和化工等行业机械；还可作为 高温热机械用材料碳化硅由于具有良好的高温特性，如高温抗氧化、高温强度 高、蠕变性小、热传导性好以及密度低，被首选为热机械的耐高温部件，诸如： 作高温燃汽轮机的燃烧室、涡轮的静叶片、高温喷嘴等用碳化硅制成活塞与气 缸套用于无润滑油无冷却的柴油机上，可减少摩擦30%〜50%， 噪声明显降低在军事方面，用碳化硅陶瓷与其他材料一起组成的燃烧室及喷嘴，已用于火 箭技术中碳化硅基复合材料制备的阿丽亚娜火箭尾喷管已成功应用碳化硅密 度居中比A1203轻20 %，硬度和弹性模量较高，价格比B4C低得多，还可用 于装甲车辆和飞机机腹及防弹防刺衣等。
碳化硅材料还具有自润滑性及摩擦系数 小，约为硬质合金的一半它的抗热震性好、弹性模量高等特点在一些特殊地方 获应用，如用来制成高功率的激光一种材料不应该仅仅局限于现在的用途，而是在原有基础上不断开发新的方 面这样才能保证碳化硅陶瓷的经久耐用性碳化硅陶瓷在许多工业领域中的应 用显示了其优良的性能，因而引起了人们的普遍重视在无机非金属材料领域中 碳化硅陶瓷是一个很大的家族，其触角几乎伸遍了所有的工业领域但是由于碳 化硅陶瓷的难烧结性，因而它的制作工艺复杂和生产成本较昂贵由此降低碳化 硅陶瓷的烧成温度和寻找新的廉价的生产工艺仍是材料工作者的研究重点，同时 挖掘和开发碳化硅陶瓷（粉末）的所有优点造福于人类是我们工作的首要任务 我们相信碳化硅陶瓷将有广阔的发展和应用前景三、碳化硅的烧结无压烧结法是在不额外加压的条件下，在一个标准大气压的惰性气体气氛中 进行烧结早在1956年，美国的阿里列亚戈RA等人就发现B在热压烧结碳化 硅中具有促进烧结致密化的作用，此后，Al、Fe、Cr、Ca、Ni、Al+Fe、Zr和Mn 等相继被研究者用作添加剂以促进碳化硅的烧结1975年，Approach S等人在 碳化硅坯体中加入B和C，通过无压固相烧结成功制备出碳化硅陶瓷。
Approach S等人的实验采用的是高纯的亚微米级贝塔碳化硅粉体，并在其中加入少量的B 和C，他们研究了此系统的很多重要影响因素，证明碳化硅的坯体通过固相烧结 致密化，贝塔碳化硅在烧结过程中产生相变并发生晶粒长大，陶瓷的强度主要与 断裂源的尺寸有关，在高温下并无明显下降，并且测量了无压烧结碳化硅的断裂 能由于碳化硅是高熔点的强共价键材料，这项研究立即引起了大量的关注，并 且几乎无一例外地被与碳化硅烧结相关的研究论文引用在 ApproachS 的研究 成果发表后不久，人们很快就发现B和C作为添加剂对贝塔碳化硅的烧结促进 作用同样适用于阿尔法碳化硅此后，在美国、日本等国家大量的相关专利如雨 后春笋般涌现，不胜枚举由于阿尔法碳化硅粉料的生产成本比 贝塔碳化硅粉 料低，因此阿尔法碳化硅的烧结制品在碳化硅工业产品中占主导地位贝塔碳化 硅粉料的性能较高，因此主要用于高性能机械封装等领域大部分碳化硅陶瓷的 工业产品是用于耐磨材料，其余主要是高温结构材料阿尔法碳化硅与贝塔碳化 硅的烧结机理基本是一致的，但贝塔碳化硅在高温下趋于向 阿尔法碳化硅发生 转变由于相变会促进晶粒长大并抑制坯体的致密化，因此 贝塔碳化硅粉料的 烧结要比阿尔法碳化硅困难。
Becker W和Tannhauser H等人深入研究了 B和 C 对碳化硅陶瓷微观结构的影响，阿尔法碳化硅和贝塔碳化硅的主要差别之一是 晶粒形状不同，前者烧结后晶粒多是等轴的多面体，而后者则形成具有较大的纵 横比的长条状柱状晶贝塔碳化硅是立方晶系，却在烧结过程发展成为各向异性 的柱状晶，这主要是由于立方碳化硅在2100〜2200°C的烧结温度下不稳定，在晶粒内部产生很多堆垛层 错，最终导致晶粒形状的各向异性添加 B 和 C 的碳化硅系统在无压固相烧结 过程中，晶界变得狭长，因此在断裂过程中主要以穿晶断裂为主，但其晶粒的纵 横比与强度的关系并不像 Al2O3 作为烧结助剂的碳化硅陶瓷那样明显一些科 学先贤的研究表明，具有较高晶粒纵横比的贝塔碳化硅陶瓷，其力学性能与阿尔 法碳化硅的陶瓷相比只有很小程度的提高碳化硅的液相烧结开始于1975年，Lance FF首次在碳化硅的热压烧结过程 中加入了部分氧化铝以促进碳化硅坯体的致密化Al 203在高温下与碳化硅 粉料颗粒表面的 SiO2 反应形成液相，成为碳化硅颗粒之间的晶间相，通过液相 传质过程使坯体致密化与添加 B 和 C 的碳化硅固相烧结不同，液相烧结中烧 结助剂的添加量通常在百分之几，并且在烧结完成后的晶间相中仍然会残留较多 的氧化物。
因此，液相烧结碳化硅的断裂方式通常是沿晶断裂，具有较高的强度 和断裂韧性Suzuki K等人通过加入质量分数不低于3%的Al 2O3，分别采用 无压烧结和无压烧结与热等静压相结合的办法，系统地研究了它们的组织和力学 性能通过一系列不同的烧结制度，研究了晶粒生长、密度、强度和韦伯模数(强 度分布的模数)的变化情况，并指出了晶粒的纵横比与断裂韧性之间的关系，实 现了碳化硅陶瓷微观组织的原位控制技术°Al2O3作为添加剂主要是由于其和碳 化硅的反应形成液相促进传质而使坯体致密化为了研究 Al203+ 碳化硅系统的 特性，弥斯娅AK研究了 Si-Al-C-O系统的热化学性能，并给出了相关的相变 热力学数据根据弥斯娅AK的计算，当温度升至1800°C,碳化硅颗粒的氧化 层会与Al 203反应形成莫来石(3A1 203・2Si02)液相，当系统中有C存在时，由于C的活性，会在系统中反应形成Al203+Al4C3+碳化硅 的液相，从而使坯体的烧结温度降低四、结语上述的都是碳化硅陶瓷在传统加工方面的应用，在扩展领域中的应用远远不 止这些，在现代科技的应用前景十分广泛碳化硅陶瓷也是半导体材料，随着现 代信息化的发展，Si器件已难以承受高温环境，除此之外，碳化硅陶瓷具有击 穿场强高、热导率大、禁带宽度大、介电常数小等特性，所以其在光电器件、高 温电子器件和高频大功率器件方面前景广阔。
它的性能激励人们对其进行研究， 例如晶闸管和功率 M0SFET 的开发等碳化硅还是制作反射镜的优良材料［10］， 但其精度还不是很高，随着 碳化硅 反射镜的轻量化和高精度的镜面要求，有必 要对碳化硅 进一步的研究。