一文了解碳化硅陶瓷相关特性与应用领域

一、碳化硅陶瓷及其性能特点

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，在材料领域发展迅速，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年代开始发展起来的，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，尤其是发达国家。近几年以碳化硅陶瓷为基的复相陶瓷相继出现，改善了单体材料的韧性和强度。碳化硅主要的四大应用领域，即功能陶瓷、高级耐火材料、磨料及冶金原料。

二、碳化硅陶瓷的应用举例

表1 碳化硅陶瓷的用途

1.碳化硅磨料磨具
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,磨料化学成分具体见表2。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。 

图1.黑碳化硅砂轮via网络

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。碳化硅主要成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；铝碳化硅适合磨削硬质合金，光学玻璃、碳合金之类的东西。还有一种立方碳化硅专用于微型轴承的超精磨。在相同粒度的其他磨料中，立方碳化硅的加工效率最高。

表2 黑碳化硅、绿碳化硅的粒度和化学成分 

在汽车制造业中，活塞环与气缸、阀门与阀座之间的配合，变速器和齿轮的精度等，都要磨料和模具加工。

2.碳化硅复合材料

碳化硅基复合材料（SiC-CMC）以其高韧性、高强度和优异的抗氧化性能等在宇航领域的高温热结构方面得到了广泛的应用。SiC-CMC的制备过程包括纤维预制成型、高温处理、中间相涂层、基体致密化和后处理。高强碳纤维强度高，韧性也很好，用其制作的预制体具有良好的力学特性。中间相涂层（即界面技术）是制备过程中的关键技术，制备中间相涂层的方法有化学气相渗透法（CVI）、化学气相沉积法（CVD）、凝胶-溶胶法（Sol-gcl）、聚合物浸渍裂解法（PLP），最适合制备碳化硅基复合材料的是CVI法和PIP法。界面涂层的材料有热解碳、氮化硼和碳化硼，其中碳化硼作为一种抗氧化界面涂层越来越受到重视。通常在氧化条件中长期使用的SiC-CMC，还需进行抗氧化处理即通过CVD工艺在制品表面沉积一层厚度约100μm的致密碳化硅，提高其高温抗氧化性能。

3.碳化硅陶瓷球

碳化硅陶瓷球具有优良的力学性能、优良的抗氧化性、高的抗磨损性以及低的摩擦系数等。碳化硅陶瓷球高温强度高，普通陶瓷材料在1200 ~ 1400摄氏度时强度将显著降低，而碳化硅在1400摄氏度时抗弯强度仍保持在500 ~600MPa的较高水平，因此其工作温度可达1600 ~ 1700摄氏度。 

图2.碳化硅陶瓷球via网络

碳化硅陶瓷球的适用范围：在石油、化工、微电子、汽车、航天、航空、造纸、激光、矿业及原子能等工业领域获得了广泛的应用，碳化硅已经广泛应用于高温轴承、板、喷嘴、高温耐蚀部件以及高温和高频范围的电子设备零部件等领域。

4.其他应用

碳化硅陶瓷是制造密封环的理想材料，它与石墨材料组合配对时，其摩擦系数比氧化铝陶瓷和硬质合金小，具有良好的自润滑性能，因而可用于高PV值，使密封件的使用寿命及工作可靠性提高，特别是输送强酸、强碱的工况中使用。

图3.碳化硅陶瓷部件via网络

碳化硅陶瓷广泛用于防弹装甲中，如车辆、舰船的防护以及民用保险柜、运钞车的防护中。碳化硅陶瓷的弹道性能优于氧化铝陶瓷，约为碳化硼陶瓷的70%-80%，但由于价格较低，特别适合用于用量大、且防护装甲不能过厚、过重的场合。

用作喷嘴的陶瓷材料有多种，常用的是氧化铝、碳化硅和碳化硼陶瓷等。氧化铝陶瓷喷嘴的价格低，但由于硬度低，其耐磨性较差，多用于喷砂工作量不大的场合。碳化硅陶瓷的使用寿命是氧化铝陶瓷的3~5倍，与硬质合金相当，多用于硬质合金的替代品，特别是手持喷枪的工况中使用。

图4.无压烧结碳化硅陶瓷轴套via网络

随着工业化的发展，特别是ISO14000国际标准的贯彻执行，对不利于环境保护液体的输运提出了更高的要求。磁力泵由于采用静密封代替机械密封、填料密封等动密封，因而泄漏更小、可靠性更高、使用寿命更长。对于磁力泵要求免维护的时间为八年，即要求连续运转八年不得拆卸，因而对磁力泵件的选材提出了极为苛刻的要求。如泵中的泵轴、止推盘、轴套等，必须耐磨损、耐腐蚀。而目前能满足上述条件的材料只有碳化硅陶瓷最合适。