碳化硅陶瓷的特性和用途 - 深圳国际电力元件

碳化硅，一种以SiC分子形式存在的合成碳化物，通常在高至2000°C的温度下，由二氧化硅和碳通过电弧放电而形成。其理论密度为3.18g/cm³，莫氏硬度仅次于金刚石，显微硬度在9.2至9.8之间，3300kg/mm³。这种材料以其卓越的硬度和耐磨性，以及耐高温的特性，在制造耐磨、耐腐蚀、耐高温的机械零件中有着广泛应用。碳化硅技术已成为新型耐磨陶瓷技术的代表。
碳化硅晶体本身是无色透明的，而工业级碳化硅则呈现无色、浅黄色、浅绿色、深绿色、浅蓝色、深蓝色或黑色，透明度随着颜色的加深而降低。根据颜色，磨料行业将碳化硅分为黑色碳化硅和绿色碳化硅两大类。其中，无色至深绿色被称为绿色碳化硅，浅蓝至黑色则被称为黑色碳化硅。这两种碳化硅在机械性能上略有差异，绿色碳化硅机械性能较脆，自锐度强，而黑色碳化硅则具有更高的耐力。

碳化硅的优异性能包括其化学性能、物理机械性能和电学性能。在化学性质方面，碳化硅具有出色的抗氧化性和耐酸碱性。当碳化硅材料在空气中加热至1300℃时，其晶体表面会形成二氧化硅保护层，这一保护层可以有效地提高其抗氧化性。然而，当温度超过1900K（1627℃）时，这一保护层开始受损，碳化硅的氧化速度会加快，因此，1900K是碳化硅在含氧化剂气氛中的最高工作温度。由于二氧化硅保护膜的作用，碳化硅具有良好的耐酸碱性。
在物理机械性能方面，碳化硅的密度、硬度和导热性都表现出色。不同形态的碳化硅晶体颗粒密度接近，一般在3.20g/mm³左右。碳化硅磨料的自然堆积密度在1.2-1.6g/mm³之间，这取决于粒度号、粒度组成和粒度形状。碳化硅的莫氏硬度为9.2，威氏显微硬度在3000-3300kg/mm²之间，努普硬度为2670-2815kg/mm²，其硬度高于刚玉，接近金刚石、立方氮化硼和碳化硼。此外，碳化硅产品的导热性高，热膨胀系数小，抗热震性高，是优质的耐火材料。

在电学性能方面，工业碳化硅在常温下是半导体，属于杂质导电性。随着温度的升高，高纯度碳化硅的电阻率会下降，而杂质碳化硅的导电性则因杂质的不同而有所差异。碳化硅还具有电致发光性能，已经开发出了实用的设备。
碳化硅粉末的合成方法主要包括Acheson法、直接合法、热分解法和气相反应法等，其中Acheson法在实际工业生产中更为流行。该方法主要是通过将石英砂和焦炭的混合物加热到2500℃左右的高温，使其反应生成α-SiC粉末。这一反应过程需要在特殊的电弧炉中进行，整个反应炉由移动耐火砖组成，可以容纳大量的石墨电极。通过通电产生高温，使得反应得以进行。然而，由于反应过程中整个电弧炉较大，温度场分布不均匀，因此，产生的碳化硅粉末质量也会不均匀，常常含有一些杂质。
碳化硅陶瓷的烧结工艺包括重结晶碳化硅陶瓷、反应烧结碳化硅陶瓷、无压烧结碳化硅陶瓷、热压烧结碳化硅陶瓷、高温热等静压烧结碳化硅陶瓷、化学气相沉积碳化硅等。这些烧结工艺各有特点，可以根据需要制备不同形状和大小的碳化硅陶瓷部件。
利用碳化硅陶瓷的高硬度、耐磨性和耐酸碱腐蚀性，可以创造出新一代的机械密封材料、滑动轴承和耐腐蚀材料。碳化硅陶瓷还可以用于冶金行业熔炉的高温换热器，使用温度可达1300°C。碳化硅金刚砂面包相比其他材料可以提高大米的质量，移动率从1%提高到2%，成本从30%降低到40%。在水轮机叶轮上涂抹碳化硅粉末可以大大提高叶轮的耐磨性，延长叶轮的维护时间。在机械压力下，立方碳化硅粉和W28粉被压入内燃机的气缸壁，可以延长气缸的使用寿命。表面采用碳化硅和硼砂的混合物进行化学热处理，然后在45#钢收割铲上进行硼化处理。硼化层的硬度可达到1800-2000kg/mm²的微凯氏定氮硬度，从而延长使用寿命。