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鄭州晶品超硬工具有限公司
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| 鄭州晶品轉載：高性能碳化硅陶瓷的工程應用（連載二） |
高性能碳化硅陶瓷的工程應用（連載二）
文/高積強、喬冠軍、金志浩（西安交通大學西安天健工程陶瓷有限公司）
多孔陶瓷過濾器(圖2)在性能方面,必須能承受各種煙道氣體化學性質的不同,各種微細顆粒性質與數量的變化,煙道氣體溫度與壓力的波動,同時保持高的顆粒過濾能力、氣體通過能力,以及相對低的壓降流動特性;在操作過程,陶瓷過濾器必須具有一定的機械強度,并能夠承受機械振動與熱沖擊。所有性能方面最重要的是長期工作可靠性,并滿足性能、壽命與價格的要求。
氧化物結合的碳化硅是目前高溫氣體過濾器的主要材料:正在研究使用燒結碳化硅制造過濾器。美國、德國和英國已進行了大量的樣機試驗工作,其中包括在高溫、高壓沸騰燃燒裝置中的試驗,已積累了上千小時的實臉數據。西安交通學“九五”期間,在國家自然科學基金的支持下、對多孔碳化硅陶瓷過濾器的制造,以及其過濾特性開展了研究。
大型廢棄物焚燒爐在工業發達國家已成為廢棄物處理的重要手段,將各種可燃廢棄物燃燒加熱鍋爐;用于采暖或發電。廢棄物燃燒時除了產生強腐蝕性產物外,同時各種粉塵對鍋爐壁的磨損也十分嚴重。因此,鍋爐爐襯材料必須滿足:扃硬度并可在低溫燒結獲得高的磨損抗力;易操作,保證鍋爐小管道爐襯的無孔洞;爐襯料與鍋爐管道熱面之間的高強度以保護管道免遭鷹蝕低氣孔率與氣體透人性以保證鍋爐管道螺栓不被腐蝕氣體破壞;良好的抗渣能力;高的熱震抗力。焚燒爐的爐襯材料經常采用碳化硅圖3)嗎,既保證了爐襯的耐磨性,并能有效地保護鍋爐管道與螺桂的連接。經常采用不同含量(70%-90%)的碳化硅,加上適當的粘土、硫酸鋁、a-AIZ0,(或莫來石)、磷酸鹽作為結合劑,加入翻酸、膨潤土、堿性聚磷酸鹽或Vz0s等促使其早期燒結。采用手工或噴射的方法進行施工,得到滿足要求的碳化硅爐襯。
3.3工業窯護
輕工、建材、電子等行業大量使用各種工業窯爐,采用不同材質碳化硅窯具的組合,可以大幅度減少窯具重量及其所占據的空間,提高能量利用率,減輕工人勞動強度。同時由于碳化硅部件優異的抗熱沖擊性能，燒成升溫速度可以加快。
美國諾頓公司推出CRYSTAR重結晶化硅與CRYSTON氮化物結合碳化硅組合的窯具系統（圖4），在燒成衛生潔具吋：減輕窯具重量70％，縮短燒成時間60小時，降低耗熱量50％，節約燃料50％。其中CRYSFAR重結晶碳化硅的主要性能指標如表1所示。
德國Annawerk公司使用重結晶碳化硅材料作為窯具實現了日用陶瓷的高溫快燒。取得了可觀的經濟效益和社會效益（表2），此外，在提高產品質量，減少密具儲存等方面也給廠家帶來巨大的效益
3．4各種加熱裝置
在材料燒結、熔化、熱處理，以及玻璃行業，燃氣間接加熱是一種重要方式。燃氣間接加熱與直接燃燒加熱相比，可大大提高熱效率，降低NOx等有害氣體的排出，同時提高了溫度的穩定性，保證對爐內氣氛的控制；同時在許多工業加熱過程中，要求工件與燃燒環境隔離。這都需采用間接輻射加熱的方式。
傳統的間接加熱主要用金屬或其合金作為加熱系統的輻射加熱管，但迄今為止各種金屬輻射管的最高使用溫度的上限只有10℃無法滿足許多工藝要求的更高加熱溫度，碳化硅作為高溫輻射管材料引起了人們極大的興趣（圖5）。研究表明，反應結合SiC輻射管可在1300℃的N2-H2-CO環境氣氛中長期使用。目前存在的主要問題是在更高溫度、更復雜介質中長期使用的可靠性問題。
二難化镅發熱元件可以用于1700℃加熱，但二硅化鉬元件的高溫軟化使得其不能水平放置，用碳化硅輻射管將其固定，可以使發熱元件水平放置并在高溫使用。使用氣孔率為零的殘化硅射加熱管可以實現對熔化鋁液內的電加熱，并具有很長的使用壽命。由于碳化硅材料優異的熱性能，在大型窯爐中可用于燃氣加熱或空氣的降溫冷卻，保證爐內溫度的均勻性，碳化硅的高溫酎磨性能還可用于覦備種固體與液體燃料的燃燒器噴嘴（圖6）
3．5發熱元件
碳化硅重要的導電特性使得其是制造1000℃以上加熱爐發熱元件的最主要材料，碳化硅發熱元件是碳化硅材料的最圭要產品，具有極大的市場，我國有關產品的使用溫度長期停留在1400℃以下，而發達因家進入九十年代以來，其碳化硅發熱元件的使用溫度已耆追提高到1600℃，例如德國的Cesiwid公司，日本的東海高熱株式會社，同時與國外產品相比，我國產品冷端／熱區電阻比一般僅為1：10，低于國外水平（1：15），造成電力資源的浪費。但迄今為止，國外有關技術仍然屬于專利或保密的技術竅，表3為德國Cesiwid公司碳化準發熱元件的主要物理性能。
表1 CRYSTAR重結品碳化的主要性能指標
| 最高使用溫度/ ℃1600 |
彎曲強度/MPa |
體積密度/g. cm³ |
熱導率
/W(m·k)-1 |
膨脹系數（300-150℃）/k-1
4.8x10-6 |
室溫
100-120 |
1250℃
120-150 |
| |
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表2碳化硅材料的使用取得的效益
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勞動力 |
能源/kcal·kg-1 |
費用/芬尼·件-1 |
窯具/產品重量比 |
傳統工藝
新工藝
節約/% |
1.5-2
1
40 |
5500-7500
2000-4000
40-60 |
24
7
60-75 |
（6-4）:1
（1-1.5）:1 |
圖4 CRYSTAR重結晶與CRYSTON化物結合碳化硅組合審具系統
“九五”期間，西安交通大學在國家自然科學基金的支持下對碳化硅高溫發熱元件開展了系統研究，具備了開發高性能碳化硅發熱元件的技術，目前正在西安天健工程陶瓷有限公司進行產業化中試工作。
3．6機被密封
為了改進性能，節約燃料，汽車工業對冷卻系統提出了更高的要求。由于汽車冷卻系統溫度和壓力的提高，要求水泵具有更高的速度，承相更高的負載。提高水泵使用壽命的重要因素之一是機械密封問題。由于更多質零部件的使用，要使用含高濃度硅酸和硝酸配方的減劑，使用過程中所形成硅醋酸凝膠作為晶體沉積在密封面，導致泄露，密封失效。
表3 Cesiwild公司碳化硅發熱原件的主要物理性能
| 體積密度g·cm3 |
熱區
冷墻 |
2.55
2.80 |
| 彎曲強度/MPa |
20℃
1200℃ |
85
100 |
| 膨脹系數/K-1 |
20-1000℃ |
4.5x10-6 |
| 熱導率/W(m·L)-1 |
20℃
1200℃ |
100
25 |
| 電阻/Ω |
1071℃ |
0.9±10% |
| 原件允許最大負荷 |
W
V
A |
3750
58
37.3±10% |
| 冷端/熱端電阻比 |
|
1:15 |
| 最高使用溫度/℃ |
|
1600 |
雖燃可以采用AL2O3、硅化石墨等作為密時材料，但目前歐和北美的汽車工業已廣泛使用碳化硅代替其它材料作為汽車水泵密封材料，甚至有的汽車廠商已100%采用燒結碳化作為密封件，目前碳化硅水菜密封件的年產量己超過幾百萬件，與AL2O3、硅化石墨等相比，碳化硅具有更離的硬度與磨損抗力，高熱傳導率和高的熱抗力，這些性質在摩擦副之間干滑動時具有特別重要的性質。
表4為各種水密封材料性能對比
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Hexoloy
SA·SiC |
硅化石墨 |
AL2O3 |
| 密度g·cm3 |
3.10 |
1.95 |
3.72 |
| 強性橫量/CPa |
410 |
16 |
300 |
| 室溫彎曲強度/MPa |
460 |
35 |
360 |
| Knoop硬度/kg·mm2 |
2800 |
<1000 |
1100 |
| 膨脹系數/x10-6·C-1 |
4.0 |
4.5 |
8.2 |
| 熱導率/W(m·L)-1 |
125 |
50 |
24 |
化學工業目也開始大量使用碳化密封環，我國國內市場正在逐步形成。
有報告表明，內燃機中使用燒結碳化硅作為摩振副也是十分成功的，這種摩擦副的組合可以緣合高熱傳導與低沒潤能的最大優勢。
3．7 原子能工業用碳化硅復合村料
碳化硅材料具有低的中子激活行為（中子作用下的放射性），低的停堆余持，低的氣體（特別對氫氣）滲透率，加之優異的高器機械性能，使得其可用于核電站用結構材料。例如美國ARTS核電站選擇SiC纖維增強的SiC作為嵌套包殼材料，隨著核電車業的發展，對高性能碳化硅村料的需求必將大大增加。
4 結語
通過以上對碳化硅村料制備及其工程應用進行的總結，可以看出碳化硅村料是目前最具有產業化前景的先進工程瓷，它不僅包括高性能精細瓷，面且更覆蓋了從低到高各種不同性能檔次的碳化硅制品。它不僅在諸如陶瓷發動機等未來的高技術領域具有重要的作用，而且在能源、治金、機械、建材、化工等題坡都具有廣的市場及等特開發的潛在市場。目前，碳化硅結構陶瓷產品的定位應著眼于發展市場需求極大的各種，而各種高性能精細陶瓷。
或復合材料則作為其研究與開發的對象，我國高性能碳化硅結構陶瓷的產業化除了發展高性能材料外，各種高溫構件與承載件應成為目前發展的主要產品。 |
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