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碳化硅基本特性及碳化硅陶瓷燒結工藝
2015年01月26日 發布 分類:粉體應用技術 點擊量:12528
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       碳化硅陶瓷材料具有高溫強度大、高溫抗氧化性強、耐磨損性能好、熱穩定性佳 、熱膨脹系數小、熱導率大、硬度高、抗熱震和耐化學腐蝕等優良特性,在汽車、機械化工、環境保護、 空間技術、 信息電子 、能源等領域有著日益廣泛的應用,已經成為一種在很多工業領域性能優異的其他材料不可替代的結構陶瓷。


      現代國防、核能和空間技術以及汽車工業、海洋工程的迅速發展, 對火箭燃燒室內襯、飛機渦輪發動機葉片、核反應堆結構部件、高速氣動軸承和機械密封零件等材料的要求愈來愈高, 迫切需要開發各種新型高性能結構材料。 SiC陶瓷在石油化學工業中已被廣泛地用作各種耐腐蝕用容器及管道在機械工業中已被成功地用作各種軸承、切削刀具和機械密封部件在航天和汽車工業中也被認為是未來制造燃氣輪機、火箭噴嘴和發動機部件的最有希望的候選材料。


       1、碳化硅的基本特性


     化學屬性


      抗化合性:碳化硅材料在氧氣中反應溫度達到1300℃時,在其碳化硅晶體表層已經生成二氧化硅保護層。隨著保護層的加厚,抵制了里面碳化硅繼續被化合,這使碳化硅有較好的抗化合性。當氣溫達到1900K(1627℃)以上時,二氧化硅保護膜已經被破壞,碳化硅化合效應加重,從而1900K是碳化硅在氧化劑氛圍下的最高工作氣溫。


       耐酸堿性:在耐酸、堿及化合物的效用方面,因為二氧化硅保護膜的效用,碳化硅的抗酸能力非常非常強,抗堿性稍差。


    物理性能


      密度:各樣碳化硅晶形的顆粒密度十分相近,通常情況下,應該是3.20 g/mm3,其碳化硅磨料的堆砌密度在1.2--1.6 g/mm3之間,其高矮取決于其粒度號、粒度合成和顆粒形狀的大小。


      硬度: 碳化硅的硬度為:莫氏9.5級。單晶硅的硬度為:莫氏7級。多晶硅的硬度為:莫氏7級。都是硬度相對較高的物料。努普硬度為2670—2815公斤/毫米,在磨料中高于剛玉而僅次于金剛石、立方氮化硼和碳化硼。


      導熱率:碳化硅制品的導熱率非常高,熱膨脹參數小,抗熱震性非常高,是優質的耐火材料。


       電學屬性


      恒溫下工業碳化硅是一種半導體,屬雜質導電性。高純度碳化硅隨著氣溫的升高內阻率降低,含雜質碳化硅按照其含雜質不一樣,導電性能也不一樣。 


      其它屬性

      親水性好。

       眾所周知, SiC是共價鍵很強的化合物。按照Pauling對電負性的計算, SiC 中Si一C鍵的離子性僅12%左右。因此,SiC 的硬度高、彈性模量大, 具有優良的耐磨損性能。值得指出的是, SiC氧化時, 表面形成的二氧化硅層會抑制氧的進一步擴散, 因而, 其氧化速率并不高。在電性能方面, SiC具有半導體特性, 少量雜質的引入會使其表現出良好的導電性:此外,SiC 還具有優良的導熱性。


      2、碳化硅粉末的合成方法


      SiC是在隕石中發現的,在地球上幾乎不存在,因此,工業上應用的SiC粉末都是人工合成的。目前,合成SiC粉末的方法主要有:Acheson法、直接化合法、熱分解法和氣相反應法等。其中在實際工業生產中,最為普及的還是Acheson法。


       Acheson法簡介


      Acheson法是工業采用最多的合成方法。α-SiC粉末的方法,即用電加熱的方法將石英砂和焦炭的混合物加熱到2500℃左右的高溫使其發生反應:

      SiO2 (s) + 3C(s) →α-SiC(s)+ 2CO(g)   


      在工業生產中, 用于合成的石英砂和焦炭通常含有Al和Fe等金屬雜質, 因此, 所得到的SiC一般都固溶有少量的雜質。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。


      3、碳化硅陶瓷的燒結工藝


      目前,制備高密度SiC陶瓷的方法主要有無壓燒結、熱壓燒結、熱等靜壓燒結和反應燒結等。通過無壓燒結工藝可以制備出復雜形狀和大尺寸的SiC部件,因此,被認為是SiC陶瓷的最有的前途的燒結方法。采用熱壓燒結工藝只能制備簡單形狀的SiC部件,而且一次熱燒結過程所制備的產品數量很小,因而,不利于商業化生產。盡管熱等靜壓工藝可以獲得復雜形狀的SiC制品,但必須對素坯進行包封,所以,也很難實現工業化生產。通過反應燒結工藝可以制備出復雜形狀的SiC部件,而且其燒結溫度較低,但是,反應燒結SiC陶瓷的高溫性能較差。表1給出了無壓燒結、熱壓燒結、熱等靜壓燒結和反應燒結中SiC陶瓷的某些性能。顯然,SiC陶瓷的性能因燒結法的不同而不同。一般來說,無壓燒結SiC陶瓷的綜合性能優于反應燒結的SiC,但遜色于熱壓燒結和熱等靜壓燒結的SiC。


不同燒結方法性能對照表


      近年來, 隨著SiC陶瓷制造技術的不斷改進, 其性能不斷提高, 應用范圍也越來越廣。目前, SiC陶瓷已在石油、化工、機械、微電子、汽車、航空航天、鋼鐵、造紙、激光、核能及加工等工業領域獲得大量應用, 并日益展示出其它結構陶瓷所無法比擬的優點。今后, 隨著SiC陶瓷制造技術的不斷進步, 其用途無疑會越來越廣。可以預計, 在不久的將來, 一個以高溫機械部件為最終目標的SiC陶瓷市場需求量一定會越來越大。

(粉體圈 作者:梧桐)


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