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每種產(chǎn)品肯定都有自己的定位,能在特定領(lǐng)域發(fā)揮極其重要,甚至是不可替代的作用。比如說“重結(jié)晶碳化硅(R-SiC)”,由于生產(chǎn)門檻高的原因,因此它與“反應(yīng)燒結(jié)碳化硅”相比起來低調(diào)不少,國內(nèi)包括沈陽星光在內(nèi)的只有幾家陶瓷企業(yè)有能力生產(chǎn),但極為優(yōu)越的熱穩(wěn)定性,使它在1350~1600℃的溫度范圍內(nèi)的應(yīng)用中有著相當(dāng)強(qiáng)勢(shì)的存在感。
重結(jié)晶碳化硅(R-SiC)是一種無結(jié)合相的碳化硅材料,其優(yōu)越的高溫性能與其合成機(jī)理離不開關(guān)系。
重結(jié)晶碳化硅材料的制備方法如下:以兩種不同粒度級(jí)配(粗細(xì))的高純碳化硅為原料,添加適量臨時(shí)結(jié)合劑(不添加燒結(jié)助劑),按照一定比例混合均勻后,采用注漿或凝膠注模等方法成型,在高溫(2200~2450℃)及氣氛保護(hù)下,發(fā)生蒸發(fā)-凝聚再結(jié)晶作用,在顆粒接觸處發(fā)生顆粒共生而形成燒結(jié)體。因此,重結(jié)晶碳化硅在燒結(jié)過程中無收縮、無液相,最終形成多孔且孔隙相互連通的網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)。再結(jié)晶的過程示意圖如下:
由于碳化硅分子只能產(chǎn)生少量的氣相分子,因此要注意在這里的“蒸發(fā)”不是簡(jiǎn)單的碳化硅氣化,而是在二氧化硅存在時(shí)碳化硅體的分解。當(dāng)細(xì)小顆粒占粗大顆粒之間的空隙,焙燒時(shí)它們會(huì)解體,接著又在大顆粒點(diǎn)接觸處凝聚沉積,形成新的晶界層,從而讓微觀結(jié)構(gòu)得以加強(qiáng),一旦細(xì)小顆粒完全消失和留下氣孔,燒結(jié)過程就完成了。
(圖片來源:沈陽星光技術(shù)陶瓷有限公司)
據(jù)說就是因?yàn)檫@種合成機(jī)理,使得重結(jié)晶碳化硅制品的表面宛如星河
重結(jié)晶碳化硅材料的結(jié)構(gòu)與性能與反應(yīng)燒結(jié)碳化硅、無壓燒結(jié)碳化硅、自結(jié)合碳化硅材料有著顯著的區(qū)別。
不同碳化硅材料的制備工藝比較
不同碳化硅材料的顯微結(jié)構(gòu)比較
可發(fā)現(xiàn),由于重結(jié)晶碳化硅在燒結(jié)過程中沒有任何收縮,因此內(nèi)部疏松,存在較多的氣孔。雖然這會(huì)導(dǎo)致易受到高溫影響,反而隨著溫度的升高還有一定的提升,比如說在1400℃時(shí)重結(jié)晶碳化硅的抗折強(qiáng)度相比于室溫會(huì)有15~20%的提高。
相比其他碳化硅材料,重結(jié)晶碳化硅由于具有較純的界面,熱導(dǎo)率是一般碳化硅耐火材料的5倍以上,而且由于具有較低的熱膨脹系數(shù),因此重結(jié)晶碳化硅的抗熱震性較高,可以抵抗急冷急熱沖擊,減少蓄熱;由于純度高,無中間化合物結(jié)合相,抗氧化侵襲能力強(qiáng),可大大提高使用壽命。
重結(jié)晶碳化硅材料綜合性能優(yōu)異,因此在多個(gè)領(lǐng)域都受到重視。下面按結(jié)構(gòu)材料、多孔材料、熱交換器、電功能型和復(fù)合材料五個(gè)方面進(jìn)行介紹。
1、結(jié)構(gòu)材料
重結(jié)晶碳化硅作為結(jié)構(gòu)材料主要利用的是它優(yōu)異的高溫力學(xué)性能,如窯具、輥棒、棚板、橫梁、硅晶片處理用承載件等,它是1500℃以上的空氣條件下為數(shù)不多可以作為承載件的材料之一。利用其高強(qiáng)度和高熱導(dǎo)率,能將匣缽和棚板做得很薄,有效減小窯具提及,大幅降低窯具和待燒瓷件的裝載比,提高窯爐利用率,還能實(shí)現(xiàn)陶瓷的快速燒成,成倍增加窯爐產(chǎn)品和降低窯爐的單位能耗。
(圖片來源:沈陽星光)
2、多孔材料
由于制備工藝的原因,重結(jié)晶碳化硅不需要或者僅需少量加入致孔劑就可以得到高孔隙率,再加上它在燒成過程中完全不會(huì)收縮,因此其內(nèi)部不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力導(dǎo)致材料開裂或者彎曲。在制備大件產(chǎn)品時(shí),重結(jié)晶碳化硅的優(yōu)勢(shì)尤其明顯,因?yàn)樗目紫堵什粫?huì)像其他多孔陶瓷一樣受燒成溫度影響,因此不需要以降低燒成溫度、犧牲材料強(qiáng)度的方式來保證氣孔率。目前應(yīng)用領(lǐng)域的有柴油車尾氣過濾、金屬冶煉過濾、化石燃料空氣過濾等。
(圖片來源:沈陽星光)
3、熱交換材料
因?yàn)榫哂懈邿釋?dǎo)率和吸光率,重結(jié)晶碳化硅被制成蜂窩陶瓷用于太陽能發(fā)電塔中的太陽能收集器,將反射過來的強(qiáng)光吸收并轉(zhuǎn)換成熱量加熱空氣推動(dòng)蒸汽輪機(jī)發(fā)電;由于具有較好的抗氧化性和優(yōu)異的抗熱震性能使得其工作溫度在1100℃以上,目前已成功應(yīng)用于200kW發(fā)電塔中。
4、電熱材料
重結(jié)晶碳化硅可作為高溫點(diǎn)火器使用,其工作溫度是接近1500℃的高溫氧化性條件。但由于其內(nèi)部存在大量的連通孔隙而導(dǎo)致點(diǎn)火器在使用過程中氧化性氣體可以通過其連通孔隙進(jìn)入到內(nèi)部,在孔表面與碳化硅反應(yīng)形成二氧化硅。但由于二氧化硅是絕緣體,隨著氧化的增加氧化層變厚,會(huì)減少點(diǎn)火器的導(dǎo)電截面積,從而降低發(fā)熱效率。目前可通過向多孔碳化硅中浸漬含有Si3N4顆粒的漿料,使其進(jìn)入孔隙內(nèi)部形成保護(hù)層來減少不利影響。
5、復(fù)合材料
重結(jié)晶碳化硅多孔連通的結(jié)構(gòu)為它與其他材料,尤其是液相狀態(tài)的材料如金屬或者金屬間化合物,進(jìn)行復(fù)合提供的條件。這樣可得到金屬和陶瓷性能相結(jié)合的復(fù)合材料,如Al-RSiC、Cu-RSiC等,可用于電子封裝材料。
資料來源
Starliaht重結(jié)晶碳化硅窯具的開發(fā)與應(yīng)用,馬曉紅。
重結(jié)晶碳化硅材料的制備與應(yīng)用研究進(jìn)展,黃進(jìn),吳昊天,萬龍剛。
碳化硅粉體的整形及其再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)研究,劉望生,代小元,許順祥,高金鋒,薛俊,曹宏。
重結(jié)晶碳化硅——工藝技術(shù)及燒結(jié)行為,(德)J.Kriegesmann。
再結(jié)晶碳化硅燒結(jié)機(jī)理及其材料性能改進(jìn)研究,郭文明。