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《特種陶瓷 課件 5.4 碳化物陶瓷（2009.11.13）》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線(xiàn)閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫(kù)。
1、5.4碳化物陶瓷非氧化物陶瓷：是包括金屬的碳化物、氮化物、硫化物、硅化物和硼化物等陶瓷的總稱(chēng)。非氧化物陶瓷在以下三方面不同于氧化物陶瓷：1）非氧化物在自然界很少存在，需要人工來(lái)合成原料。2）在原料的合成和陶瓷燒結(jié)時(shí)，易生成氧化物，因此必須在保護(hù)性氣體（如N2、Ar等）中進(jìn)行；3）氧化物原子間的化學(xué)鍵主要是離子鍵，而非氧化物一般是鍵性很強(qiáng)的共價(jià)鍵，因此，非氧化物陶瓷一般比氧化物難熔和難燒結(jié)。典型碳化物陶瓷材料有碳化硅(SiC)、碳化硼(B4C)、碳化鈦(TiC)、碳化鋯(ZrC)、碳化釩(VC)、碳化鉭(TaC)、碳化鎢(WC)和碳化鉬(Mo2C)等。它們的共同特點(diǎn)是熔點(diǎn)高，許多碳化物的熔點(diǎn)都在
2、3000℃以上，其中HfC和TaC的熔點(diǎn)分別為3887℃和3877℃。碳化物在非常高的溫度下均會(huì)發(fā)生氧化，但許多碳化物的抗氧化能力都比W、Mo等高熔點(diǎn)金屬好，這是因?yàn)樵谠S多情況下碳化物氧化后所形成的氧化膜具有提高抗氧化性能的作用。各種碳化物開(kāi)始強(qiáng)烈氧化的溫度如表5-4-1所示。表5-4-1各種碳化物開(kāi)始強(qiáng)烈氧化的溫度碳化物TiCZrCTaCNbCVCMo2CWCSiC強(qiáng)烈氧化溫度/℃1100~1400800~1100500~8001300~1400表5-4-2為幾種常見(jiàn)碳化物的主要性能。從表中可以看出，大多數(shù)碳化物都具有良好的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率，且許多碳化物都有非常高的硬度，特別是B4C的硬度僅次
3、于金剛石和立方氮化硼，但碳化物的脆性一般較大。過(guò)渡金屬碳化物不水解，不和冷的酸起作用，但硝酸和氫氟酸的混合物能侵蝕碳化物。大部分碳化物在高溫和氮作用生成氮化物。表5-4-2各種碳化物主要性能碳化物晶系熔點(diǎn)/oC密度/g·cm-3電阻率/?·cm熱導(dǎo)率/W·m-1·K-1硬度莫氏顯微硬度/GPaSiC（α）六方3.210-5~101333.4SiC（β）立方2100(相變)3.21107~2009.233.4B4C六方24502.510.3~0.828.89.349.5TiC立方31604.941.8~2.5x10-417.18-930.0HfC立方388712.21.95x10-422.229
4、.1ZrC立方35706.447x10-520.58-929.3WC立方286515.501.2x10-5924.5各種材料的硬度比較金剛石立方氮化硼碳化硼含釩高速鋼碳化硅碳化鎢氧化鋁硬質(zhì)合金高速鋼水晶淬火鋼硬度本節(jié)重點(diǎn)介紹SiC、B4C、TiC這三種最重要的高溫碳化物結(jié)構(gòu)陶瓷材料。一、SiC陶瓷1.基本特性硬度高(Hv=25GPa)，強(qiáng)度好(室溫300~500MPa,1400℃不下降)，熱導(dǎo)率高(120W/m.K)，抗氧化性好(在空氣中可在1500℃以下長(zhǎng)期使用)。SiC有多種晶型，低溫型為立方相b-SiC，2100℃向高溫型a-SiC轉(zhuǎn)變。SiC沒(méi)有熔點(diǎn)，2300℃開(kāi)始升華，2700℃以上
5、分解為Si蒸氣和石墨。SiC是應(yīng)用最廣泛的非氧化物陶瓷。2、原料的制備SiC的合成方法主要有化合法、碳熱還原法、氣相沉積法、有機(jī)硅先驅(qū)體裂解法、自蔓延(SHS)法、溶膠-凝膠法等。1)化合法將單質(zhì)Si和C在碳管電爐中直接化合而成，其反應(yīng)式如下：Si＋C→?-SiC2)碳熱還原法這種方法是由氧化硅和碳反應(yīng)生成碳化物，反應(yīng)式如下：SiO2＋C→SiO(g)＋CO(g)SiO繼續(xù)被碳還原：SiO＋2C→SiC＋CO(g)3)氣相沉積法氣相沉積法可以分為化學(xué)氣相沉積法(CVD)和物理氣相沉積法(PVD)。根據(jù)氣相加熱方式的不同，又可分為等離子體CVD法、激光CVD法、熱CVD法等。PVD法主要利用了蒸
6、發(fā)－冷凝機(jī)理(如電弧法)；而CVD法則是利用硅的鹵化物(SiX)和碳?xì)浠?CnHm)及氫氣在發(fā)生分解的同時(shí)，相互反應(yīng)生成SiC。這些方法可以制備高純度的SiC粉末，也可以得到晶須或者薄膜，其反應(yīng)通式如下SiX＋CnHmSiC＋HX4)有機(jī)硅前驅(qū)體法將有機(jī)金屬化合物在真空、氫氣或者惰性氣氛中在相對(duì)較低的溫度下進(jìn)行熱解反應(yīng)，從而得到相應(yīng)的制品。合成SiC的起始材料有聚碳硅烷、聚硅烷和聚碳氧硅烷等。下式給出了從聚碳硅烷出發(fā)制備SiC的整個(gè)反應(yīng)過(guò)程：斷裂600oC熱解500oC重排800-1000oC交聯(lián)>1000oC700oC5)自蔓延高溫合成法(SHS法)該方法是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的難熔化合物的制備
7、方法，也是一種化合反應(yīng)方法，一般化合法是依靠外部熱源來(lái)維持反應(yīng)的進(jìn)行，而SHS法則是依靠反應(yīng)時(shí)自身放出的熱量維持反應(yīng)的進(jìn)行，計(jì)算表明SiC的絕對(duì)溫度為1800℃(放熱反應(yīng)使產(chǎn)物達(dá)到的最高溫度)。以高純硅和天然石墨為原料(Si/C=2.33:1)，采用自蔓延工藝，在石墨爐中于1300℃下反應(yīng)大約3.5h，得到了?-SiC粉體。另外通過(guò)燃燒合成法進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)SiC的方法亦有文獻(xiàn)報(bào)道。6)溶膠-凝膠法有
