碳化硅陶瓷，具有抗氧化性強，耐磨性能好，硬度高，熱穩(wěn)定性好，高溫強度大，熱膨脹系數(shù)小，熱導率大以及抗熱震和耐化學腐蝕等優(yōu)良特性。因此，已經(jīng)在石油、化工、機械、航天、核能等領(lǐng)域大顯身手，日益受到人們的重視。例如，SiC陶瓷可用作各類軸承、滾珠、噴嘴、密封件、切削工具、燃汽渦輪機葉片、渦輪增壓器轉(zhuǎn)子、反射屏和火箭燃燒室內(nèi)襯等等。

　　陶瓷的優(yōu)異性能與其獨特結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。SiC是共價鍵很強的化合物，SiC中Si-C鍵的離子性僅12%左右。因此，SiC強度高、彈性模量大，具有優(yōu)良的耐磨損性能。純SiC不會被HCl、HNO3、H2SO4和HF等酸溶液以及NaOH等堿溶液侵蝕。在空氣中加熱時易發(fā)生氧化，但氧化時表面形成的SiO2會抑制氧的進一步擴散，故氧化速率并不高。在電性能方面，SiC具有半導體性，少量雜質(zhì)的引入會表現(xiàn)出良好的導電性。此外，SiC還有優(yōu)良的導熱性。

　　具有α和β兩種晶型。β-SiC的晶體結(jié)構(gòu)為立方晶系，Si和C分別組成面心立方晶格;α-SiC存在著4H、15R和6H等100余種多型體，其中，6H多型體為工業(yè)應用上最為普遍的一種。在SiC的多種型體之間存在著一定的熱穩(wěn)定性關(guān)系。在溫度低于1600℃時，SiC以β-SiC形式存在。當高于1600℃時，β-SiC緩慢轉(zhuǎn)變成α-SiC的各種多型體。4H-SiC在2000℃左右容易生成;15R和6H多型體均需在2100℃以上的高溫才易生成;對于6H-SiC，即使溫度超過2200℃，也是非常穩(wěn)定的。SiC中各種多型體之間的自由能相差很小，因此，微量雜質(zhì)的固溶也會引起多型體之間的熱穩(wěn)定關(guān)系變化。

　　現(xiàn)就SiC陶瓷的生產(chǎn)工藝簡述如下：

　　一、SiC粉末的合成：

　　在地球上幾乎不存在，僅在隕石中有所發(fā)現(xiàn)，因此，工業(yè)上應用的SiC粉末都為人工合成。目前，合成SiC粉末的主要方法有：

　 1、cheson法：

　　這是工業(yè)上采用最多的合成方法，即用電將石英砂和焦炭的混合物加熱至2500℃左右高溫反應制得。因石英砂和焦炭中通常含有Al和Fe等雜質(zhì)，在制成的SiC中都固溶有少量雜質(zhì)。其中，雜質(zhì)少的呈綠色，雜質(zhì)多的呈黑色。

　　2、化合法：

　　在一定的溫度下，使高純的硅與碳黑直接發(fā)生反應。由此可合成高純度的β-SiC粉末。

　　3、熱分解法：

　　使聚碳硅烷或三氯甲基硅等有機硅聚合物在1200～1500℃的溫度范圍內(nèi)發(fā)生分解反應，由此制得亞微米級的β-SiC粉末。

　　4、氣相反相法：

　　使SiCl4和SiH4等含硅的氣體以及CH4、C3H8、C7H8和(Cl4等含碳的氣體或使CH3SiCl3、(CH3)2 SiCl2和Si(CH3)4等同時含有硅和碳的氣體在高溫下發(fā)生反應，由此制備納米級的β-SiC超細粉。

　　二、碳化硅陶瓷的燒結(jié)

　　1、無壓燒結(jié)

　　1974年年美國GE公司通過在高純度β-SiC細粉中同時加入少量的B和C，采用無壓燒結(jié)工藝，于2020℃成功地獲得高密度SiC陶瓷。目前，該工藝已成為制備SiC陶瓷的主要方法。美國GE公司研究者認為：晶界能與表面能之比小于1.732是致密化的熱力學條件，當同時添加B和C后，B固溶到SiC中，使晶界能降低，C把SiC粒子表面的SiO2還原除去，提高表面能，因此B和C的添加為SiC的致密化創(chuàng)造了熱力學方面的有利條件。然而，日本研究人員卻認為SiC的致密并不存在熱力學方面的限制。還有學者認為，SiC的致密化機理可能是液相燒結(jié)，他們發(fā)現(xiàn)：在同時添加B和C的β-SiC燒結(jié)體中，有富B的液相存在于晶界處。關(guān)于無壓燒結(jié)機理，目前尚無定論。

　　以α-SiC為原料，同時添加B和C，也同樣可實現(xiàn)SiC的致密燒結(jié)。

　　研究表明：單獨使用B和C作添加劑，無助于SiC陶瓷充分致密。只有同時添加B和C時，才能實現(xiàn)SiC陶瓷的高密度化。為了SiC的致密燒結(jié)，SiC粉料的比表面積應在10m2/g以上，且氧含量盡可能低。B的添加量在0.5%左右，C的添加量取決于SiC原料中氧含量高低，通常C的添加量與SiC粉料中的氧含量成正比。

　　最近，有研究者在亞微米SiC粉料中加入Al2O3和Y2O3，在1850℃～2000℃溫度下實現(xiàn)SiC的致密燒結(jié)。由于燒結(jié)溫度低而具有明顯細化的微觀結(jié)構(gòu)，因而，其強度和韌性大大改善。

　 2、壓燒結(jié)

　　50年代中期，美國Norton公司就開始研究B、Ni、Cr、Fe、Al等金屬添加物對SiC熱壓燒結(jié)的影響。實驗表明：Al和Fe是促進SiC熱壓致密化的最有效的添加劑。

　　有研究者以Al2O3為添加劑，通過熱壓燒結(jié)工藝，也實現(xiàn)了SiC的致密化，并認為其機理是液相燒結(jié)。此外，還有研究者分別以B4C、B或B與C，Al2O3和C、Al2O3和Y2O3、Be、B4C與C作添加劑，采用熱壓燒結(jié)，也都獲得了致密SiC陶瓷。

　　研究表明：燒結(jié)體的顯微結(jié)構(gòu)以及力學、熱學等性能會因添加劑的種類不同而異。如：當采用B或B的化合物為添加劑，熱壓SiC的晶粒尺寸較小，但強度高。當選用Be作添加劑，熱壓SiC陶瓷具有較高的導熱系數(shù)。

　　3、熱等靜壓燒結(jié)：

　　近年來，為進一步提高SiC陶瓷的力學性能，研究人員進行了SiC陶瓷的熱等靜壓工藝的研究工作。研究人員以B和C為添加劑，采用熱等靜壓燒結(jié)工藝，在1900℃便獲得高密度SiC燒結(jié)體。更進一步，通過該工藝，在2000℃和138MPa壓力下，成功實現(xiàn)無添加劑SiC陶瓷的致密燒結(jié)。

　　研究表明：當SiC粉末的粒徑小于0.6μm時，即使不引入任何添加劑，通過熱等靜壓燒結(jié)，在1950℃即可使其致密化。如選用比表面積為24m2/g的SiC超細粉，采用熱等靜壓燒結(jié)工藝，在1850℃便可獲得高致密度的無添加劑SiC陶瓷。

　　另外，Al2O3是熱等靜壓燒結(jié)SiC陶瓷的有效添加劑。而C的添加對SiC陶瓷的熱等靜壓燒結(jié)致密化不起作用，過量的C甚至會抑制SiC陶瓷的燒結(jié)。

　　4、反應燒結(jié)：

　　SiC結(jié)法最早在美國研究成功。反應燒結(jié)的工藝過程為：先將α-SiC粉和石墨粉按比例混勻，經(jīng)干壓、擠壓或注漿等方法制成多孔坯體。在高溫下與液態(tài)Si接觸，坯體中的C與滲入的Si反應，生成β-SiC，并與α-SiC相結(jié)合，過量的Si填充于氣孔，從而得到無孔致密的反應燒結(jié)體。反應燒結(jié)SiC通常含有8%的游離Si。因此，為保證滲Si的完全，素坯應具有足夠的孔隙度。一般通過調(diào)整最初混合料中α-SiC和C的含量，α-SiC的粒度級配，C的形狀和粒度以及成型壓力等手段來獲得適當?shù)乃嘏髅芏取?br />
　　實驗表明，采用無壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)和反應燒結(jié)的SiC陶瓷具有各異的性能特點。如就燒結(jié)密度和抗彎強度來說，熱壓燒結(jié)和熱等靜壓燒結(jié)SiC陶瓷相對較多，反應燒結(jié)SiC相對較低。另一方面，SiC陶瓷的力學性能還隨燒結(jié)添加劑的不同而不同。無壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)和反應燒結(jié)SiC陶瓷對強酸、強堿具有良好的抵抗力，但反應燒結(jié)SiC陶瓷對HF等超強酸的抗蝕性較差。就耐高溫性能比較來看，當溫度低于900℃時，幾乎所有SiC陶瓷強度均有所提高;當溫度超過1400℃時，反應燒結(jié)SiC陶瓷抗彎強度急劇下降。(這是由于燒結(jié)體中含有一定量的游離Si，當超過一定溫度抗彎強度急劇下降所致)對于無壓燒結(jié)和熱等靜壓燒結(jié)的SiC陶瓷，其耐高溫性能主要受添加劑種類的影響。

　　總之，SiC陶瓷的性能因燒結(jié)方法不同而不同。一般說來，無壓燒結(jié)SiC陶瓷的綜合性能優(yōu)于反應燒結(jié)的SiC陶瓷，但次于熱壓燒結(jié)和熱等靜壓燒結(jié)的SiC陶瓷。