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    是什么让他们选择了重结晶碳化硅?
    2020年04月21日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:85
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    每种产品肯定都有自己的定位,能在特定领域发挥极其重要,甚至是不可替代的作用 。比如说“重结晶碳化硅R-SiC),由于生产门槛高的原因 ,因 此它与“反应烧结碳化硅”相比起来低调不少,国内包括沈阳星光在内的只有几家陶瓷企业有能力 生产,极为优越的热稳定性,使它在1350~1600℃的温度范围内的应用中有着相当强势的存在感 。

     

    重结晶碳化硅

    一、重结晶碳化硅的制造原理

    重结晶碳化硅(R-SiC)是一种无结合相的碳化硅材料,其优越的高温性能与其合成机理离不开关系 。

    重结晶碳化硅材料的制备方法如下:以两种不同粒度级配粗细)的高纯碳化硅为原料,添加适量临时结合剂(不添加烧结助剂),按照一定比例混合均匀后,采用注浆或凝胶注模等方法成型,在高温(2200~2450℃)及气氛保护下,发生蒸发-凝聚再结晶作用,在颗粒接触处发生颗粒共生而形成烧结体 。因 此,重结晶碳化硅在烧结过程中无收缩、无液相,最终形成多孔且孔隙相互连通的网络骨架结构 。再结晶的过程示意图如下:

     

    由于碳化硅分子只能产生少量的气相分子,因 此要注意在这里的“蒸发”不是简单的碳化硅气化,而是在二氧化硅存在时碳化硅体的分解 。细小颗粒占粗大颗粒之间的空隙,焙烧时它们会解体,接着又在大颗粒点接触处凝聚沉积,形成新的晶界层,从而让微观结构得以加强,一旦细小颗粒完全消失和留下气孔,烧结过程就完成了 。

     

    据说就是因 为这种合成机理,使得重结晶碳化硅制品的表面宛如星河

    (图片来源:沈阳星光技术陶瓷有限公司)

    二、重结晶碳化硅的性能优势

    重结晶碳化硅材料的结构与性能与反应烧结碳化硅、无压烧结碳化硅、自结合碳化硅材料有着显著的区别 。

    不同碳化硅材料的制备工艺比较

    项目

    重结晶碳化硅

    无压烧结碳化硅

    反应烧结碳化硅

    自结合碳化硅

    原料组成

    两种粒度级配的碳化硅

    亚微米级碳化硅粉,烧结助剂

    多级配碳化硅粉、炭粉、硅粉

    多级配碳化硅、炭粉、硅粉

    烧成温度/℃

    2100~2300

    2100~2250

    1500~1700

    1350~1500

    显气孔率/%

    ≤16

    ≤0.1

    ≤0.1

    ≤15

    体积密度/(g·cm-3)

    ≥2.70

    ≥3.10

    ≥3.10

    ≥2.70

    常温抗折强度/MPa

    ≥80

    ≥200

    ≥240

    ≥40

    高温抗折强度/MPa

    ≥90

    ≥210

    ≥250

    ≥40

    ω(SiC)/%

    ≥99

    ≥99

    ≥85

    ≥0

    ω(Si)/%

    0

    0

     

     

    不同碳化硅材料的显微结构比较

    可发现,由于重结晶碳化硅在烧结过程中没有任何收缩,因 此内部疏松,存在较多的气孔 。虽然这会导致易受到高温影响,反而随着温度的升高还有一定的提升,比如说在1400℃时重结晶碳化硅的抗折强度相比于室温会有15~20%的提高 。

    相比其他碳化硅材料,重结晶碳化硅由于具有较纯的界面,热导率是一般碳化硅耐火材料的5倍以上,而且由于具有较低的热膨胀系数,因 此重结晶碳化硅的抗热震性较高,可以抵抗急冷急热冲击,减少蓄热;由于纯度高,无中间化合物结合相,抗氧化侵袭能力 强,可大大提高使用寿命 。

    三、重结晶碳化硅的应用

    重结晶碳化硅材料综合性能优异,因 此在多个领域都受到重视 。下面按结构材料、多孔材料、热交换器、电功能型和复合材料五个方面进行介绍 。

    1、结构材料

    重结晶碳化硅作为结构材料主要利用的是它优异的高温力 学性能,如窑具、辊棒、棚板、横梁、硅晶片处理用承载件等,它是1500℃以上的空气条件下为数不多可以作为承载件的材料之一 。利用其高强度和高热导率,能将匣钵和棚板做得很薄,有效减小窑具提及,大幅降低窑具和待烧瓷件的装载比,提高窑炉利用率,还能实现陶瓷的快速烧成,成倍增加窑炉产品和降低窑炉的单位能耗 。

     

    (图片来源:沈阳星光)

    2、多孔材料

    由于制备工艺的原因 ,重结晶碳化硅不需要或者仅需少量加入致孔剂就可以得到高孔隙率,再加上它在烧成过程中完全不会收缩,因 此其内部不会产生应力 导致材料开裂或者弯曲 。在制备大件产品时,重结晶碳化硅的优势尤其明显,因 为它的孔隙率不会像其他多孔陶瓷一样受烧成温度影响,因 此不需要以降低烧成温度、牺牲材料强度的方式来保证气孔率 。目前应用领域的有柴油车尾气过滤、金属冶炼过滤、化石燃料空气过滤等 。

     

    (图片来源:沈阳星光)

    3、热交换材料

    因 为具有高热导率和吸光率,重结晶碳化硅被制成蜂窝陶瓷用于太阳能发电塔中的太阳能收集器,将反射过来的强光吸收并转换成热量加热空气推动蒸汽轮机发电;由于具有较好的抗氧化性和优异的抗热震性能使得其工作温度在1100℃以上,目前已成功应用于200kW发电塔中 。

    4、电热材料

    重结晶碳化硅可作为高温点火器使用,其工作温度是接近1500℃的高温氧化性条件 。但由于其内部存在大量的连通孔隙而导致点火器在使用过程中氧化性气体可以通过其连通孔隙进入到内部,在孔表面与碳化硅反应形成二氧化硅 。但由于二氧化硅是绝缘体,随着氧化的增加氧化层变厚,会减少点火器的导电截面积,从而降低发热效率 。目前可通过向多孔碳化硅中浸渍含有Si3N4颗粒的浆料,使其进入孔隙内部形成保护层来减少不利影响 。

    5、复合材料

    重结晶碳化硅多孔连通的结构为它与其他材料,尤其是液相状态的材料如金属或者金属间化合物,进行复合提供的条件 。这样可得到金属和陶瓷性能相结合的复合材料,如Al-RSiC、Cu-RSiC等,可用于电子封装材料 。

    资料来源:

    Starliaht重结晶碳化硅窑具的开发与应用,马晓红 。

    重结晶碳化硅材料的制备与应用研究进展,黄进,吴昊天,万龙刚 。

    碳化硅粉体的整形及其再结晶动力 学研究,刘望生,代小元,许顺祥,高金锋,薛俊,曹宏 。

    重结晶碳化硅——工艺技术及烧结行为,(德)J.Kriegesmann 。

    再结晶碳化硅烧结机理及其材料性能改进研究,郭文明 。

    粉体圈 小榆整理

     


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