碳化硅制品的制造工藝及用途
單純用α-SiC制造制品,由于其硬度較大,將其磨成微米級細粉相當困難,而且顆粒呈板狀或針狀,用它壓成的坯體,即使在加熱到它的分解溫度附近,也不會發生明顯的收縮,難以燒結,制品的致密化程度低,抗氧化能力也差。因此,在工業生產制品時,在α-SiC中加入少量的顆粒呈球形的β-SiC細粉和采用添加物的辦法來獲得致密制品。作為制品結合劑的添加物,按種類可分為氧化物、氮化物、石墨等多種,如粘土、氧化鋁、鋯英石、莫來石、石灰、玻璃、氮化硅、氧氮化硅、石墨等。成型粘結劑溶液可用羧甲基纖維素、聚乙烯醇、木質素、淀粉、氧化鋁溶膠、二氧化硅溶膠等其中的一種或幾種。依據添加物的種類和加入量的不同,坯體的燒成溫度也不同,其溫度范圍在1400~2300℃。例如,粒度大于44μm的α-SiC70%,粒度小于10μm的β-SiC20%,粘土10%,外加4.5%的木質素水溶液8%,均勻混合后,用50MPa的壓力成型,在空氣中1400℃4h燒成,制品的體積密度為2.53g/cm3,顯氣孔率12.3%,抗折強度30~33MPa。幾種不同添加物的制品的燒結性能列于表2。
一般來說,碳化硅耐火材料具有多方面的優良性能,例如,在比較寬的溫度范圍內具有高的強度、高的抗熱震性、優良的耐磨性能、高的熱導率、耐化學腐蝕性等。不過,也應看到,它的弱點是抗氧化能力差,由此而造成高溫下體積脹大、變形等降低了使用壽命。為了提高碳化硅耐火材料的抗氧化性能,在結合劑方面做了不少的選擇工作。開始使用粘土(包括氧化物)結合,但并未能起到保護作用,碳化硅顆粒仍然受到氧化和侵蝕。50年代末,選擇用氮化硅(Si3N4)結合,作為碳化硅耐火材料的改進產品,確實具有很好的抗氧化性(見圖1),且無顯著的膨脹現象。但是價格較貴;加之在反復加熱冷卻時有突然破壞的可能;而氮化硅本身的網絡結構帶有滲透性,不能從根本上保護碳化硅不被氧化。60年代初,又出現了用氧氮化硅(Si2ON2)結合的碳化硅耐火材料,比之氮化硅結合具有更好的抗氧化性能,因為氧氮化硅粘附于碳化硅表面的氧化硅薄膜,并與其反應形成和碳化硅牢固結合的連續保護膜。同時,這種材料的價格適當,相當于用氧化物結合的碳化硅材料。
量為40.09,其中硅占70.04%,碳占29.964。真密度3.21。熔點(升華)2600℃。晶型有低溫形態的β-SiC呈立方結構;高溫形態的α-SiC呈六方結構;以及由于碳化硅晶體結構中的原子排列情況的不同而有其他一系列的變型體,約有百余種,通稱同質異晶。此外,結晶結構中由于電子親合力的不同,除主要的共價鍵外,尚有部分離子鍵存在。碳化硅是一種硬質材料,莫氏硬度達9.2。在低溫下,碳化硅的化學性質比較穩定,耐腐蝕性能優良,在煮沸的鹽酸、硫酸和氫氟酸中也不受侵蝕。但在高溫下可與某些金屬、鹽類、氣體發生反應,反應情況列于表10-4-16。碳化硅在還原性氣氛中直2600℃仍然穩定,在高溫氧化氣氛中則會發生氧化作用:
SiC+2O2→SiO2+CO2
但它在800~1140℃之間的抗氧化能力反而不如1300~1500℃的,這是因為在800~1140℃氧化生成的氧化膜(SiO2)的結構較疏松,起不到充分保護底材的作用,而在1140℃以上,尤其在1300~1500℃之間,氧化作用顯著,此時生成的氧化層薄膜覆蓋在碳化硅基體的表面,阻礙了氧對碳化硅的進一步接觸,所以抗氧化能力反而加強。但到更高溫度時,其氧化保護層被破壞,使碳化硅遭受強烈氧化而分解破壞。
由于碳化硅具有優良的物理化學性能,因此作為重要的工業原料而得到廣泛的應用。它的主要用途有三個方面:用于制造磨料磨具;用于制造電阻發熱元件———硅碳棒、硅碳管等;用于制造耐火材料制品。作為特種耐火材料,它在鋼鐵冶煉中用作高爐、化鐵爐等沖壓、腐蝕、磨損厲害部位的耐火制品;在有色金屬(鋅、鋁、銅)冶煉中作冶煉爐爐襯、熔融金屬的輸送管道、過濾器、坩堝等;在空間技術上用作火箭發動機尾噴管、高溫燃氣透平葉片;在硅酸鹽工業中,大量用作各種窯爐的棚板、馬弗爐爐襯、匣缽;在化學工業中,用作油氣發生、石油氣化器、脫硫爐爐襯等。
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303 更新時間:2022-03-10 【
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