碳化硅陶瓷是工業(yè)陶瓷中運(yùn)用最廣的無金屬元素陶瓷,是一種超耐高溫陶瓷,它的結(jié)構(gòu)性能都很高,同時(shí)就要求碳化硅材質(zhì)顯微結(jié)構(gòu)的精細(xì)化,所以碳化硅陶瓷粉體的制備成為高性能碳化硅陶瓷的關(guān)鍵一環(huán)。
碳化硅(silicon carbide),化學(xué)式為SiC,屬于共價(jià)鍵材料,C和Si同屬一族,均有四價(jià)的化合鍵,同時(shí)Si元素還具有金屬特性,兩種元素組成的物質(zhì),其結(jié)構(gòu)上具有網(wǎng)狀、體型特點(diǎn),性質(zhì)上擁有高的強(qiáng)度,故碳化硅材料性能是良好的高溫強(qiáng)度、耐磨性、耐腐蝕性、高熱導(dǎo)、高絕緣性。
碳化硅(silicon carbide),化學(xué)式為SiC,屬于共價(jià)鍵材料,C和Si同屬一族,均有四價(jià)的化合鍵,同時(shí)Si元素還具有金屬特性,兩種元素組成的物質(zhì),其結(jié)構(gòu)上具有網(wǎng)狀、體型特點(diǎn),性質(zhì)上擁有高的強(qiáng)度,故碳化硅材料性能是良好的高溫強(qiáng)度、耐磨性、耐腐蝕性、高熱導(dǎo)、高絕緣性。
碳化硅陶瓷內(nèi)部結(jié)構(gòu)
碳化硅粉體的制備方法,既有傳統(tǒng)的固相反應(yīng)法,又有最新的溶膠-凝膠(sol-gel)法、激光法、等離子法,本文從大體上按氣、固、液三項(xiàng)對常用的方法進(jìn)行分類如下。
固相法
1.1.碳熱還原法
該法由Acheson發(fā)明,具體方法:在Acheson電爐中,石英砂中的二氧化硅被碳還原制得碳化硅,該法獲得的碳化硅顆粒較粗,耗電量大,反應(yīng)方程式為:
SiO2+3C=SiC+2CO
隨后各國對Acheson法進(jìn)行了改進(jìn),如潘順龍等[1],利用炭黑和水玻璃溶液為原料,氫氣為保護(hù)氣,在高溫石墨爐中1550℃條件下反應(yīng)5小時(shí),得到碳化硅粉體。
碳-硅直接反應(yīng)法
1.2.1.自蔓延高溫合成法(SHS)
外加熱源點(diǎn)燃反應(yīng)物坯體,利用材料在合成過程中放出的化學(xué)反應(yīng)熱來自行維持合成過程。
SiO2+C+2Mg-SiC+2MgO
此法獲得的粉體純度高,粒度小,但需要酸洗等工序除去Mg。
1.2.2.機(jī)械合金化法
楊曉云等[2]將碳粉和硅粉按照1:1的摩爾比制成混合粉末,磨球和磨粉按質(zhì)量比40:1封裝在氬氣罐中,在球磨機(jī)上進(jìn)行機(jī)械球磨,25小時(shí)后得到平均晶粒尺寸約為6nm的碳化硅粉體。
固相法
1.1.碳熱還原法
該法由Acheson發(fā)明,具體方法:在Acheson電爐中,石英砂中的二氧化硅被碳還原制得碳化硅,該法獲得的碳化硅顆粒較粗,耗電量大,反應(yīng)方程式為:
SiO2+3C=SiC+2CO
隨后各國對Acheson法進(jìn)行了改進(jìn),如潘順龍等[1],利用炭黑和水玻璃溶液為原料,氫氣為保護(hù)氣,在高溫石墨爐中1550℃條件下反應(yīng)5小時(shí),得到碳化硅粉體。
碳-硅直接反應(yīng)法
1.2.1.自蔓延高溫合成法(SHS)
外加熱源點(diǎn)燃反應(yīng)物坯體,利用材料在合成過程中放出的化學(xué)反應(yīng)熱來自行維持合成過程。
SiO2+C+2Mg-SiC+2MgO
此法獲得的粉體純度高,粒度小,但需要酸洗等工序除去Mg。
1.2.2.機(jī)械合金化法
楊曉云等[2]將碳粉和硅粉按照1:1的摩爾比制成混合粉末,磨球和磨粉按質(zhì)量比40:1封裝在氬氣罐中,在球磨機(jī)上進(jìn)行機(jī)械球磨,25小時(shí)后得到平均晶粒尺寸約為6nm的碳化硅粉體。
液相法
2.1.溶膠-凝膠法
該法以液體化學(xué)試劑配制成Si的醇鹽前驅(qū)體,將它在低溫下溶于溶劑形成均勻的溶液,加入適當(dāng)?shù)哪虅┦沟么见}發(fā)生水解、聚合反應(yīng)后生成均勻而穩(wěn)定的溶膠體系,再經(jīng)過長時(shí)間放置或干燥處理,濃縮成Si和C在分子水平上的混合物或聚合物,繼續(xù)加熱形成組分均勻且粒徑細(xì)小的SiO2和C的兩相混合物,在1460~1600℃發(fā)生碳還原反應(yīng)最終制得SiC細(xì)粉。
2.2.聚合物分解法
2.1.溶膠-凝膠法
該法以液體化學(xué)試劑配制成Si的醇鹽前驅(qū)體,將它在低溫下溶于溶劑形成均勻的溶液,加入適當(dāng)?shù)哪虅┦沟么见}發(fā)生水解、聚合反應(yīng)后生成均勻而穩(wěn)定的溶膠體系,再經(jīng)過長時(shí)間放置或干燥處理,濃縮成Si和C在分子水平上的混合物或聚合物,繼續(xù)加熱形成組分均勻且粒徑細(xì)小的SiO2和C的兩相混合物,在1460~1600℃發(fā)生碳還原反應(yīng)最終制得SiC細(xì)粉。
2.2.聚合物分解法
Chinag等[3]采用聚合物熱解方法形成玻璃碳浸入液態(tài)硅制備碳化硅陶瓷材料,采用三乙烯乙二醇、二羥基乙基醚和糠醇樹脂混合物,在有機(jī)酸的催化作用下發(fā)生聚合和糠醇相分離,然后熱解,形成微孔碳,最后液態(tài)硅燒結(jié)并去除游離硅。制得碳化硅粉體。
氣相法
3.1.氣相反應(yīng)沉淀法
3.1.氣相反應(yīng)沉淀法
楊修春等對SiH4-C2H4-H2體系在1423~1673K進(jìn)行研究,制得平均粒徑為11nm的碳化硅。
3.2.等離子法
于威等利用等離子體化學(xué)氣相沉淀法制備了碳化硅。
3.3.激光誘導(dǎo)氣相法
戰(zhàn)可濤等[6]以SiH4和C2H4為原料氣體,制備出平均粒徑為20nm。
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本文“碳化硅工業(yè)陶瓷粉體的制備介紹”由科眾陶瓷編輯整理,修訂時(shí)間:2019-03-16 17:09:00
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