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一、碳化硅陶瓷及其性能特點
碳化硅具有化學性質穩定、熱導率高、熱膨脹系數低、密度低、耐磨性好、硬度高、機械強度高、耐化學腐蝕等優點,在材料領域發展迅速,廣泛應用于陶瓷球軸承、閥門、半導體材料、陀螺儀、測量儀器、航空航天等領域。碳化硅的四個主要應用領域是功能陶瓷、耐火材料、磨料和冶金原料。
二、碳化硅陶瓷的應用實例
1.碳化硅磨料
碳化硅硬度大,可制成各種砂輪、砂紙、磨料,主要用于機械加工行業。碳化硅的莫氏硬度為9.2~9.6,僅次于金剛石和碳化硼,是常用磨料。碳化硅磨料的化學成分包括碳化硅、游離碳和Fe2O3。磨料的具體化學成分見表2。碳化硅含量越高,其硬度和磨削性能越好。中國的工業碳化硅主要用作磨料。磨料在工業中應用廣泛,尤其是加工高精度零件或非常堅硬的零件,磨具必不可少。
砂輪也是刃磨工具和切割硬質材料的工具。碳化硅砂輪是一種有通孔的圓形固結磨具,由磨料和結合劑樹脂制成。它在模具中使用Z多。碳化硅的主要成分是黑碳化硅和綠碳化硅。黑碳化硅的硬度比綠碳化硅低,用于磨削硬度較低的材料,如鑄鐵和非金屬材料。鋁碳化硅適用于磨削硬質合金、光學玻璃、碳合金等。還有一個立方碳化硅,專門用于微型軸承的磨削。在其他相同粒度的磨料中,立方碳化硅的加工效率Z高。
2.碳化硅復合材料
碳化硅基復合材料(SiC-CMC)因其高韌性、高強度和優異的抗氧化性,已廣泛應用于航空航天領域的高溫熱結構中。SiC-CMC的制備過程包括纖維預制體、高溫處理、中間相涂覆、基體致密化和后處理。高強碳纖維具有高強度和良好的韌性,由其制成的預制件具有良好的力學性能。中間相涂層(界面技術)是制備過程中的關鍵技術。制備中間相涂層的方法包括化學氣相滲透法(CVI)、化學氣相沉積法(CVD)、溶膠-溶膠法(Sol-gcl)和聚合物浸漬裂解法(PLP)。CVI法和PIP法是Z適合制備碳化硅基復合材料的方法。界面涂層的材料包括熱解碳、氮化硼和碳化硼,其中碳化硼作為一種抗氧化界面涂層越來越受到重視。通常在氧化條件下長期使用的SiC-CMC需要進行抗氧化處理,即通過CVD工藝在產品表面沉積一層厚度約為100μm的致密碳化硅,以提高其高溫抗氧化性。
3.碳化硅陶瓷球
碳化硅陶瓷球具有優異的機械性能、優異的抗氧化性、高耐磨性和低摩擦系數。碳化硅陶瓷球高溫強度高,普通陶瓷材料在1200 ~ 1400攝氏度時強度會明顯降低,而碳化硅的抗彎強度在1400攝氏度時仍保持在500 ~600MPa的較高水平,因此其工作溫度可達1600 ~ 1700攝氏度。
適用范圍:碳化硅陶瓷球已廣泛應用于石油、化工、微電子、汽車、航天、航空、造紙、激光、采礦、原子能等工業領域。碳化硅已廣泛應用于高溫軸承、板材、噴嘴、高溫耐腐蝕零件以及高溫和高頻范圍內的電子設備零件。
4.其他應用
碳化硅陶瓷是制造密封環的理想材料。與石墨材料結合時,其摩擦系數小于氧化鋁陶瓷和硬質合金,具有良好的自潤滑性能。因此可用于高PV值,提高了密封件的使用壽命和工作可靠性,尤其適用于輸送強酸強堿。
碳化硅陶瓷廣泛應用于防彈裝甲,如車輛和艦船的防護,以及民用保險柜和裝甲車的防護。碳化硅陶瓷的防彈性能優于氧化鋁陶瓷,約為碳化硼陶瓷的70%-80%。但由于價格低廉,特別適用于用量較大,防護裝甲不能過厚過重的場合。
用作噴嘴的陶瓷材料有很多種,如氧化鋁、碳化硅、碳化硼陶瓷等。氧化鋁陶瓷噴嘴價格較低,但由于硬度較低,耐磨性較差,多用于噴砂工作量不大的場合。碳化硅陶瓷的使用壽命是氧化鋁陶瓷的3~5倍,與硬質合金相當。它主要用作硬質合金的替代品,尤其是手持式噴槍。