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无压烧结碳化硅产品的应用及发展前景

来源:新东方科技  发布时间:2015-09-13 10:23:17 

    随着科学技术的发展,特别是能源、空间技术的发展,经常要求材料必须具有耐高温、抗腐蚀、耐磨损等优越性,才能在比较苛刻的工作环境中使用。由于无压烧结碳化硅陶瓷瓷材料具有抗氧化性、耐磨性能好、耐高温、热稳定性好、高温强度大、热膨胀系数小、热导率大以及抗热震和耐化学腐蚀等优良特性,已成为尖端科学领域的重要组成部分。
    碳化硅陶瓷是近二十几年才开始发展的新材料,尤其是无压烧结碳化硅陶瓷是八、九年才开始起步发展的新型的先进陶瓷。由于其具有特别优良的高强度、高硬度(仅次于金刚石的硬度)、耐腐蚀、耐高温性能,很快得到了开发应用,大量应用于石油化工、冶金机械、航空航天、微电子、汽车、钢铁、发电等领域,并日益显示出了其他特种陶瓷所无法比拟的优势。
    主要性能和应用
    碳化硅的结构
    碳化硅是一种人造材料,只是人工合成碳化硅之后,才证实陨石中及地壳上偶然存在碳化硅,碳化硅的分子式SIC,分子量为40.07,质量百分组成为70.045的硅与29.955的碳,碳化硅的理论密度为3.16-3.21g/m3
    SIC是以共价键为主的共价化合物,由于碳和硅两元素在形成SIC晶体时,它的基本单元是四面体,所有SIC均有SIC四面体堆积而成,所不同的只是平行结合和反平行结合,从而形成具有金刚石的SIC。SIC具有75种变体,如3C-SIC、4H-SIC、15R-SIC、等,其中α-SIC、β-SIC最为常见。β-SIC的晶体结构为立方晶体,SI和C分别组成面心立方晶格;α-SIC存在着4H、15R和6H等100余种多形体,其中,6H多形体为工业应用上最为普遍的一种。在SIC多形体之间存在着一定的热稳定关系,在温度低于1600℃时,SIC以β-SIC形式存在。当高于1600℃时,β-SIC缓慢转化成α-SIC的各种多形体。4H-SIC在2000℃左右容易生成;15R和6H多形体均需2100℃以上高温才易生成;对于6H-SIC,即使温度超过2200℃,也是非常稳定的。SIC中的各种多形体之间的自由能相差很小,因此,微量杂质的固溶也会引起多形体之间的热稳定关系变化。
    碳化硅的化学性质
    SIC的化学稳定性与其氧化特性有密切关系,SIC本身很容易氧化,但它氧化后形成了一层SIO2薄膜,氧化进程逐步被阻碍。在空气中,SIC于800℃时就开始氧化,但很缓慢;随着温度的升高,则氧化速度急剧加快。它的氧化速率在氧气中比在空气中快1.6倍;氧化速率随着时间的推移而减慢。
    水蒸气与SIC在高温下反应相当强烈,与1100℃以上时,视情况不同,可以生成硅、碳或SIO2,在1000℃左右时,SIC能与H2S等含硫化合物生成棕色的硫化硅。
SIC陶瓷的有异性能与其独特地结构密切相关,SIC是共价键很强的化合物,SIC中SI-C键的离子性仅12%左右。因此,它的强度高、弹性模量大、具有优良的耐磨损性能。纯SIC不会被HCL、HNO3、H2SO4和HF等酸溶液以及NaOH等碱溶液侵蚀。
    应用方面
    SIC用于高PV值机械密封
    PV值是指密封流体压力P与密封端平均滑动速度V的乘积,表示机械密封使用的极限值。
    1、 高流体压力
    SIC材料是一种强度和刚度很高的材料,其弹性模量很高,在高压下不易产生变形。同时,碳化硅抗压强度很高。SIC的抗黏着磨损能力很强,作为高压密封材料是非常有利的。
    2、 用于高温机械密封
    SIC具有很高的高温强度,在1400℃时的抗弯强度与常温时的抗弯强度值相同。
    3、 高转速
    在高转速下的机械密封,因线速度高,摩擦副的发热磨损和振动将是主要问题。无压烧结碳化硅完全可以满足高速度机械密封要求。
    4、 用于腐蚀介质工况的机械密封
     无压烧结碳化硅是单一结构,不含游离硅和游离碳,耐腐蚀性很强,具有良好的化学稳定性,可以用于各种腐蚀性很强的酸碱介质中使用。
    5、 用于含固体颗粒介质的机械密封
工业生产中的许多密封流体中含有固体颗粒,极易沉积在密封表面。这些颗粒不仅引起密封端面严重的颗粒磨损,而且使密封面局部发热而引起热烈。SIC不仅硬度高、耐磨损和抗热震,而且其应急运转特性也很优越,因此采用碳化硅自身配对的硬质密封副在含颗粒介质中应用潜力很大。
    6、 现代的核聚变应用里面的输送液态重金属管道方面本公司正在和合肥核能安全研究员开发研究。
7、 在原碳化硅陶瓷里面添加适量的碳纤维,增加碳化硅陶瓷的韧性,用于碳化硅陶瓷生产机械、化工领域的化工泵泵轴,本公司已经申请国家发明专利,并已受理,等待公示授权。