碳化硅的应用辩析.doc

无机固体材料学 课程论文 题目：碳化硅的性能与应用前景 院 系 化学与化学工程学院 专 业 化学师范专升本 姓 名 刘 倩 碳化硅陶瓷的性能与应用前景 摘 要 碳化硅陶瓷不仅具有抗氧化性强，耐磨性好，硬度高，热稳定性好，热膨胀系数小，等优良特性，而且广泛的应用也多个领域中。碳化硅是一种典型共价键结合化合物，具有高硬度、耐磨等特性，广泛应用于航空、机械、汽车、冶金、化工、电子等领域。 本文主要是对碳化硅陶瓷的性能，市场前景，应用范围进行讨论，并讨论起发展趋势。 关键词：碳化硅 性能 高硬度 耐磨性 一．碳化硅的基本结构及其性质 1.1碳化硅结构 碳化硅是一种典型的共价键结合的稳定化合物。从理论上讲,碳化硅均由SiC 四面体堆积而成,所不同的只是平行结合或反平行结合。SiC有75 种变体,如α- SiC、β- SiC、3C - SiC、4H - SiC、15R- SiC 等,所有这些结构可分为方晶系、六方晶系和菱形晶系,其中α- SiC、β- SiC 最为常见。α- SiC 是高温稳定型,β- SiC 是低温稳定型。β- SiC 在2100～2400 ℃可转变为α- SiC ,β- SiC 可在1450 ℃左右温度下由简单的硅和碳混合物制得。利用透射电子显微镜和X- 射线衍射检测技术可对SiC 显微体进行多型体分析和定量测定。为了区别各种不同的结构,需要有相应的命名方法。命名方法常用的是:把低温类型的立方碳化硅叫做β—SiC ,而其余六方的、菱形的晶胞结构一律称为α—SiC。这种命名方法与相律惯例以及矿物学命名都不相符,但因其很方便,也就颇为流行。 1.2碳化硅化学性质 碳化硅本身很容易氧化,但它氧化之后形成了一层二氧化硅薄膜,氧化进程逐步被阻碍。在空气中,碳化硅于800 ℃时就开始氧化,但很缓慢;随着温度升高,则氧化速度急速加快。碳化硅的氧化速率,在氧气中比在空气中快1. 6 倍;氧化速率的速度随着时间推移而减慢。如果以时间推移对氧化的数量描图,可以得到典型的抛物线图形. 这反映出二氧化硅保护层对碳化硅氧化速率的阻碍作用。氧化时,若同时存在着能将二氧化硅薄膜移去或使之破裂的物质,则碳化硅就易被进一步氧化。例如:铁、锰等金属有几种化合价,其氧化物能将碳化硅氧化,并且又能与二氧化硅生成低熔点化合物,能侵蚀碳化硅。例如,FeO 在1300 ℃、MnO 在1360 ℃能侵蚀碳化硅;而CaO、MgO 在1000 ℃就能侵蚀碳化硅[1]。 二．碳化硅的特点及其性能 2.1磨料 由于其超硬性能,可制备成各种磨削用的砂轮、砂布、砂纸以及各类磨料,广泛应用于机械加工行业。我国工业碳化硅主要作磨料用,黑色碳化硅制成的磨具,多用于切割和研磨抗张强度低的材料,如玻璃、陶瓷、石料和耐火物等,同时也用于铸铁零件和有色金属材料的磨削。绿色碳化硅制成的磨具,多用于硬质合金、钛合金、光学玻璃的磨削,同时也用于缸套 的珩磨及高速钢刀具的精磨。立方碳化硅专用于微型轴承的超精磨,采用W3. 5 立方碳化硅微粉制成的油石对轴承(材料ZGCrl5) 超精磨,其光洁度可由y 9 直接磨成y 12 以上,因此,在相同粒度的其他磨料中,立方碳化硅其加工效率为最高。 2.2 耐火材料[2] 国外将碳化硅用作耐火材料的数量大于用作磨料。我国亦在不断扩大这方面的应用,根据国外厂商的习惯,耐火材料黑色碳化硅通常分为3 种牌号: ①高级耐火材料黑碳化硅。这种牌号的化学成分要求与磨料用黑色碳化硅完全相同,主要用以制造高级碳化硅制品,如重结晶碳化硅制品、燃气轮机构件、喷嘴、氮化硅结合碳化硅制件、高炉高温区衬材、高温窑炉构件、高温窑装窑支承件、耐火匣钵等。②二级耐火材料黑色碳化硅,含碳化硅大于90 %。主要用以制造耐中等高温的窑炉构件,如马弗炉炉衬材料等。这些构件除利用碳化硅的耐热性、导热性外,在很多场合还兼用它的化学稳定性。③低品位耐火材料黑色碳化硅,其碳化硅含量要求大于83 % ,主要用于出铁槽、铁水包,炼锌业和海绵铁制造业等的内衬。 2.3 脱氧剂 炼钢时通常要使用硅铁脱氧,近代发展了用碳化硅代替硅铁作脱氧剂,炼出的钢质量更好,更经济。因为用碳化硅脱氧时,成渣少而且很快,有效地减少了渣中某些有用元素的含量,炼钢时间短而成分更好控制。脱氧剂黑色碳化硅在美国和日本等国家的钢铁工业中用得很普遍。磨料用或耐火材料用碳化硅在炉中所生成的适合于作脱氧剂的物料,都能全部销售应用于生产而无须回炉,产品综合利用率高,碳化硅生产的经济效果极佳。 2.4 耐磨及高温件 利用碳化硅陶瓷