碳化硅陶瓷材料的应用研究

碳化硅陶瓷材料的应用研究

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。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。

碳化硅以共价键为主，共价键约占88%。晶格的基本结构是互相穿插的SiC4和CSi4四面体。SiC具有α和β2种晶型，当温度低于1600℃时，SiC以β-SiC形式存在，当高于1600℃时，β-SiC转变为α-SiC形式。碳化硅陶瓷在现代的工业中碳化硅起着不可或缺的作用。表1详细地列出了其用途。

1、碳化硅陶瓷球

精密球是圆度仪、陀螺、轴承和精密测量中的重要元件，并常作为精密测量的基准，在精密设备和精密加工中具有十分重要的地位。精密球目前主要采用金属材料，但存在耐磨损性能较差、受温度影响变形较大等问题。而陶瓷球以其重量轻、硬度高、耐磨损、耐高温、耐腐蚀、热膨胀系数小等优点，已广泛地应用于精密轴承等零部件中。

陶瓷球与现在使用广泛的金属球相比，具有以下优点：（1）强度高，刚性好；（2）硬度大，耐磨损；（3）密度小；（4）耐高温，热膨胀系数小；（5）耐腐蚀。

2、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份包括碳化硅、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。

3、碳化硅基复合材料

由于陶瓷材料固有脆性，限制了其在宇航等高技术领域的应用，因此对碳化硅材料的增韧研究倍加重视；采用连续及其织物和编织体增韧，不仅可提高陶瓷材料的韧性，而且可不同程度地提高材料的强度和模量；近年来，世界技术先进的国家在连续纤维增强陶瓷基复合材料(CFCCS)应用研究方面进行了大量工作，已开发和应用了多种耐高温、高强度陶瓷纤维，如各种碳化硅纤维、碳纤维和氧化铝纤维；进行了SiC、Si3N4、Al2O3、BN和ZrO2等多种陶瓷基体的应用研究。其中碳化硅基复合材料(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。

4、其他方面应用

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的可靠性提高，特别是输送强酸、强碱的工况中使用。

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，特别是在手持喷枪的工况中使用。

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。对于磁力泵一般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适合。