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立方碳化硅粉体特性及其应用

关键词 碳化硅 , 磨料|2017-11-22 09:32:52|应用技术|来源 碳化硅交流
摘要 一.立方碳化硅的简介图1.β-SiC晶体结构SiC主要包括两种晶型,α-SiC和β-SiC(如图1)。其中β-SiC就是立方SiC,在SiC原料制备过程中,3C结构的β-SiC择优...

        一.立方碳化硅的简介

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图1.β-SiC晶体结构

        SiC主要包括两种晶型,α-SiC和β-SiC(如图1)。其中β-SiC就是立方SiC,在SiC原料制备过程中,3C结构的β-SiC择优形成,甚至有实验观察到在1400-1600℃温度范围内由2H-SiC向3C-SiC的相变,如图2所示。一般市售的低温制备的SiC原料都是β-SiC。

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图2.不同温度下SiC多形体存在示意图

        二.立方碳化硅的特性

        β-SiC具有优良的物理化学性能,具有高强度、高硬度、高热导率、高烧结活性、高半导体特性和低热膨胀系数。其硬度与金刚石接近,俗称金刚砂;对样品进行抛光,抛光性能远超白刚玉和α-SiC(黑碳化硅和绿碳化硅),样品表面粗糙度良好;β-SiC由于晶粒中电子空穴缺陷较多、其禁带宽度小于α-SiC,因此导电性比α-SiC的高几倍;β-SiC具有优良的热导率和低热膨胀系数,使得其在加热和冷却过程中受到的热应力很小;对SiC多形体的量子计算指出,β-SiC(3C)属于面心立方结构,是低温型稳定相,在1600℃左右即可发生β-SiC向α-SiC的相变;低温下,β-SiC是一种亚稳定相,稳定相应该是2Hα-SiC,之所以β-SiC(3C)在低温下稳定存在,主要是杂质的作用。在密度方面,β-SiC比大多数合金小一半,为钢的40%,与铝大致相同。见表1 β-SiC物理特性。

        β-SiC制备的方法有多种:激光法、等离子法和固相合成法。激光法、等离子法工艺主要合成纳米及亚微米粉体,且由于合成时间短,无法做到颗粒的真正致密,且颗粒纯度相对不高;固相合成法工艺方式较多,但都具有一定技术难度,就国际行业调查来看,真正做到高结晶、高纯度、批量化的全球范围内只有少数企业做到,并已进入市场多年,其他厂家大多停留在理论或实验阶段,产品大多存在β相含量不高、产品杂质多、难以批量生产等多项缺点。

表1.β-SiC的基本性质表

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        三、立方SiC粉体的应用

        β-SiC粉体有很高的化学稳定性、高硬度、高热导率、低热膨胀系数、宽能带隙、高电子漂移速度、高电子迁移率、特殊的电阻温度特性等,因此具有抗磨、耐高温、耐热震、耐腐蚀、耐辐射、良好的半导体特性等优良性能,被广泛应用于各行各业,例如:电子、信息、精密加工技术、军工、航空航天、高级耐火材料、特种陶瓷材料、高级磨削材料和增强材料等领域。其应用范围主要分为以下几类:

        (1)粉体原料

        在高级结构陶瓷、功能陶瓷及高级耐火材料市场有着非常广阔的应用前景。低温下,β-SiC是一种亚稳定相,在1600℃左右即可发生β-SiC向α-SiC的相变,因此具有一定的烧结活性,一般SiC陶瓷在烧结过程中需要2200℃以上,加烧结助剂后仍需1950℃才可结晶,而β-SiC在1800℃即可以形成多晶体。同时在β-SiC晶型转换过程中,其体积也会发生变化,对陶瓷烧结致密性能起到良好的作用,从而增加碳化硅陶瓷强度,另外β-SiC向α-SiC转变,可以形成棒状晶粒,SiC陶瓷韧性也得到提高。在碳化硼陶瓷制品中加入β-SiC能够降低烧结温度的同时可以形成棒状晶粒提高产品的韧性,从而使得碳化硼陶瓷性能大幅提高。

        (2)磨抛材料

        目前β-SiC主要用途之一就是作为研磨材料(图3),β-SiC微粉由于化学性质稳定、硬度高、耐磨性能好等优点。作为一种游离磨料广泛应用于多种硬脆材料的切片加工过程。尤其是近30年来,随着科技的进步。以β-SiC微粉作为主要切削介质的游离磨料线切割技术在太阳能级硅片的加工领域应用日益完善。另外β-SiC比白刚玉和α-SiC研磨效率高很多,而且能大幅提高产品光洁度。市场上用金刚石做研磨抛光材料较多,其价格是β-SiC的几十倍甚至几百倍;但β-SiC在众多领域中的研磨效果不亚于金刚石,甚至在磨不锈钢、硅片、玻璃的时候光洁度都优于金刚石,价格却是金刚石的几十分之一。用白刚玉做的油石、研磨盘广泛用于不锈钢类研磨行业,其抛光性能相对较高,但产品使用寿命短;而利用β-SiC做成的研磨材料(油石、研磨盘等),具有光洁度高、磨削力强、寿命长的优势。比如用白刚玉做的油石抛光轴承,用β-SiC做的油石替代后,光洁度能提高2-3个等级,产品寿命提高5-8倍,而且能大幅降低更换油石次数,从而减少劳动强度、提高生产效率。β-SiC做的研磨膏、研磨液、高精密砂布砂带及超耐磨涂层也有着良好的应用前景。

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图3.β-SiC磨料

        (3)电子材料

        作为半导性材料,β-SiC可制作成非线性电阻电子器件(图4),比如浪涌吸收元件和灭磁电阻元件,其抗电压性能比α-SiC高几倍,添加β-SiC后的发电机抗电晕效果非常明显。纯度高的 β-SiC可制成单晶SiC晶片,其优异的导电、导热性能使其在军工、航天、电子行业等高尖端领域用来替代电子级单晶硅和多晶硅。用β-SiC做的电子封装材料、发热器、热交换器等具有高抗热震性和良好的导热性,产品性能大幅优于其他材料。

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图4.β-SiC 非线性电阻陶瓷

        (4)增强剂

        由于β-SiC具有金刚石结构,颗粒呈类球形,具有高耐磨耐腐蚀,高导热,低热膨胀系数等特点,使其在特殊涂层中有着良好的应用前景。各种海工机械、装备及零部件在复杂的海洋环境中服役,受海水腐蚀、冲蚀磨损,微生物污损等多因素的交互作用,加速了其腐蚀磨损的进程,目前现有的防护技术仍难以满足海洋环境下10年以上的长效防护要求,有机涂层,热喷涂涂层等都已广泛应用于海洋工程装备的防护,但在传统的制备技术下,涂层的潜在性能基本已挖掘殆尽,很难有大幅度提升,在这些涂料中加入纳米SiC(图4)后,涂层的耐磨性、硬度也得到了显著改善,提高了其在海洋复杂多因素耦合环境下的防护寿命。另外将添加β-SiC的涂料涂覆到普通材料上,其耐磨寿命会大幅提高。铝合金活塞在汽缸中大量往复运动,很容易磨损,涂覆β-SiC材料后能够使活塞寿命提高30-50倍。高分子复合材料及金属材料中加入β-SiC可以大大提高其导热性、降低热膨胀系数、增加耐磨性等,而且由于β-SiC的比重小,对材料结构重量不造成影响。高强度尼龙材料、特种工程塑料聚醚醚酮(PEEK)、橡胶轮胎、抗压润滑油等加入超细β-SiC微粉后,其性能提升非常明显。

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图5.β-SiC纳米粉体

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