Карбид кремния устойчив к высоким температурам, не реагирует с сильными кислотами или сильными щелочами, имеет хорошую электро- и теплопроводность, а также обладает высокой радиационной стойкостью. Благодаря своим превосходным физическим и химическим свойствам карбид кремния широко используется в нефтяной, химической, микроэлектронной, автомобильной, аэрокосмической, лазерной, атомной энергетике, машиностроении и металлургической промышленности. Например, шлифовальные круги, сопла, подшипники, уплотнения, движущиеся и неподвижные лопатки газовых турбин, подложки отражающих экранов, детали двигателей, огнеупорные материалы и т. д.
Композитные пластины для танков и бронетехники изготавливаются из композитных материалов на основе карбида кремния. Эта композитная пластина на 30–50 % легче обычных стальных пластин для танков, а ударопрочность может быть увеличена в 1–3 раза. Это превосходный композитный материал. Высокотехнологичная керамика со специальными функциями (электричество, магнетизм, звук, свет, тепло, химия, механика, биология и т. д.) — это новые материалы, которые быстро развивались в последние 20 лет и называются третьим по величине материалом после металлических материалов и полимерных материалов.
SiC — это соединение с сильными ковалентными связями, и его скорость диффузии при спекании довольно низкая. Согласно результатам исследований JD Hon et al., даже при высокой температуре 2100℃ коэффициенты самодиффузии C и Si очень малы. Поэтому SiC трудно спекать, и его необходимо уплотнять с помощью добавок или внешнего давления или реакции силицирования.
Основными методами получения высокоплотной керамики на основе SiC являются горячее прессование, спекание без давления и реакционное спекание.
(1) Горячее прессование спеканием чистого порошка карбида кремния может приблизиться к теоретической плотности, но для этого требуются высокая температура (более 2000 ℃) и высокое давление (350 МПа). Использование добавок может значительно повысить скорость уплотнения и получить материалы из карбида кремния с плотностью, близкой к теоретической плотности. Обычно используемые добавки: Al2O3, AIN, BN, B и т. д.; максимальное количество добавляемого B составляет 0,36%. Механизм: Наличие свободного углерода реагирует с B с образованием B4C, который затем образует твердый раствор с SiC. Процесс спекания в жидкой фазе играет важную роль в миграции материала.
(2) Спекание без давления (спекание при нормальном давлении) Механизм спекания: диффузионное спекание; сложность диффузионного спекания связана с соотношением энергии границ зерен и поверхностной энергии. При содействии спеканию: чистый SiC не может быть спечен. При добавлении бора бор находится на границе зерен SiC и частично образует твердый раствор с SiC, снижая энергию границ зерен SiC; кроме того, добавление C помогает уменьшить и удалить пленку SiO2 на поверхности SiC, тем самым увеличивая поверхностную энергию, так что сверхтонкий порошок rg/rs может обеспечить механическую движущую силу, необходимую для уплотнения, сократить расстояние диффузии и войти в начальное спекание.
(3) Реакционное спекание Реакционно-спеченный SiC, также известный как самосвязанный SiC, изготавливается путем смешивания порошка a-SiC и графитового порошка в определенном соотношении и прессования их в сырое тело, затем нагревания их примерно до 1650 ℃, и в то же время инфильтрации Si или инфильтрации Si в сырое тело через газовую фазу Si, так что он реагирует с графитом с образованием β-SiC, объединяя существующие частицы a-SiC. Особенности: Если допускается полная инфильтрация Si, то в течение всего процесса можно получить материал с нулевой пористостью и без изменения геометрических размеров. В реальном производстве сырое тело должно иметь избыточные поры, чтобы предотвратить образование герметичного слоя SiC из-за того, что процесс инфильтрации Si сначала выполняется на поверхности, тем самым предотвращая продолжение реакционного спекания. Во время процесса реакционного спекания избыточные поры заполняются избыточным Si, тем самым получая непористый плотный продукт.
Сравнение трех распространенных методов спекания:
1. Горячее прессование спеканием: можно изготавливать только детали из карбида кремния простой формы с низкой эффективностью производства, что не способствует крупномасштабному коммерческому производству.
2. Спекание без давления (спекание при нормальном давлении): позволяет производить детали сложной формы и больших размеров из карбида кремния и в настоящее время является наиболее широко признанным методом спекания.
3. Реакционное спекание: позволяет производить детали из карбида кремния сложной формы с низкой температурой спекания, но продукт имеет плохие высокотемпературные характеристики.
Керамика SiC, полученная методом спекания без давления, спекания горячим прессованием, спекания горячим изостатическим прессованием и реакционного спекания, имеет различные эксплуатационные характеристики. Например, с точки зрения плотности спекания и прочности на изгиб керамика SiC, полученная методом спекания горячим прессованием и спекания горячим изостатическим прессованием, относительно больше, а керамика SiC, полученная методом реакционного спекания, относительно меньше. С другой стороны, механические свойства керамики SiC также различаются в зависимости от различных добавок для спекания.
Керамика SiC, полученная методом спекания без давления, горячего прессования и реакционного спекания, обладает хорошей устойчивостью к сильным кислотам и сильным щелочам, но керамика SiC, полученная методом реакционного спекания, обладает плохой коррозионной стойкостью к суперкислотам, таким как HF. Что касается стойкости к высоким температурам, то при температуре ниже 900 ℃ прочность почти всей керамики SiC повышается; при температуре выше 1400 ℃ прочность на изгиб керамики SiC, полученной методом реакционного спекания, резко падает. (Это связано с тем, что спеченное тело содержит определенное количество свободного Si, а прочность на изгиб резко падает, когда температура превышает определенную температуру). Для керамики SiC, полученной методом спекания без давления и горячего изостатического прессования, ее стойкость к высоким температурам в основном зависит от типа добавок.
