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(xì)粉相當(dāng)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(fā)生明顯的收縮，難以燒結(jié)，制品的致密化程度低，抗氧化能力也差。因此，在工業(yè)生產(chǎn)制品時(shí)，在α-SiC中加入少量的顆粒呈球形的β-SiC細(xì)粉和采用添加物的辦法來獲得致密制品。作為制品結(jié)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(jié)劑溶液可用羧甲基纖維素、聚乙烯醇、木質(zhì)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(jù)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(zhì)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(qiáng)度30~33MPa。幾種不同添加物的制品的燒結(jié)性能列于表2。
一般來說，碳化硅耐火材料具有多方面的優(yōu)良性能，例如，在比較寬的溫度范圍內(nèi)具有高的強(qiáng)度、高的抗熱震性、優(yōu)良的耐磨性能、高的熱導(dǎo)率、耐化學(xué)腐蝕性等。不過，也應(yīng)看到，它的弱點(diǎn)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(jié)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(jié)合，但并未能起到保護(hù)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(jié)合，作為碳化硅耐火材料的改進(jìn)產(chǎn)品，確實(shí)具有很好的抗氧化性(見圖1)，且無顯著的膨脹現(xiàn)象。但是價(jià)格較貴;加之在反復(fù)加熱冷卻時(shí)有突然破壞的可能;而氮化硅本身的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)帶有滲透性，不能從根本上保護(hù)碳化硅不被氧化。60年代初，又出現(xiàn)了用氧氮化硅(Si2ON2)結(jié)合的碳化硅耐火材料，比之氮化硅結(jié)合具有更好的抗氧化性能，因?yàn)檠醯枵掣接谔蓟璞砻娴难趸璞∧?，并與其反應(yīng)形成和碳化硅牢固結(jié)合的連續(xù)保護(hù)膜。同時(shí)，這種材料的價(jià)格適當(dāng)，相當(dāng)于用氧化物結(jié)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(diǎn)(升華)2600℃。晶型有低溫形態(tài)的β-SiC呈立方結(jié)構(gòu);高溫形態(tài)的α-SiC呈六方結(jié)構(gòu);以及由于碳化硅晶體結(jié)構(gòu)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(zhì)異晶。此外，結(jié)晶結(jié)構(gòu)中由于電子親合力的不同，除主要的共價(jià)鍵外，尚有部分離子鍵存在。碳化硅是一種硬質(zhì)材料，莫氏硬度達(dá)9.2。在低溫下，碳化硅的化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定，耐腐蝕性能優(yōu)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(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)情況列于表10-4-16。碳化硅在還原性氣氛中直2600℃仍然穩(wěn)定，在高溫氧化氣氛中則會發(fā)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?yàn)樵?00~1140℃氧化生成的氧化膜(SiO2)的結(jié)構(gòu)較疏松，起不到充分保護(hù)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(shí)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(jìn)一步接觸，所以抗氧化能力反而加強(qiáng)。但到更高溫度時(shí)，其氧化保護(hù)層被破壞，使碳化硅遭受強(qiáng)烈氧化而分解破壞。
由于碳化硅具有優(yōu)良的物理化學(xué)性能，因此作為重要的工業(yè)原料而得到廣泛的應(yīng)用。它的主要用途有三個(gè)方面：用于制造磨料磨具;用于制造電阻發(fā)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(shù)上用作火箭發(fā)動機(jī)尾噴管、高溫燃?xì)馔钙饺~片;在硅酸鹽工業(yè)中，大量用作各種窯爐的棚板、馬弗爐爐襯、匣缽;在化學(xué)工業(yè)中，用作油氣發(fā)生、石油氣化器、脫硫爐爐襯等。
