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)
摘要:本文對高性能碳化硅工程陶瓷材料的工程應用進行了總結，討論了其產業化過程中所存在的主要技術難點，并對國內外市場前景進行了簡單的分析。認為高性能碳化硅材料是目前最具有產業化前景的先進工程陶瓷材料之一，在能源、冶金、機械、建材、化工等領域具有廣闊的應用前景。我國應把碳化硅陶瓷產業作為工程陶瓷優先產業化的目標之一，盡快使研究成果轉化為生產力。
關鍵詞:碳化硅 工程應用
1前言
在各種結構陶瓷材料系列中，氧化鋁(剛玉)、碳化硅和氮化硅作為結構材料受到了人們更多的青睞，在世界范圍內已經或者正在成為重要的工業部門，其中剛玉和碳化硅材料的生產已經形成規模生產并產生了重大的經濟效益。特別應當看到，二十世紀八十年代在結構陶瓷領域所完成的許多重要技術突破在九十年代開始了其商業化的進程，美、日等發達國家的許多公司均大幅度地提高了其結構陶瓷生產能力，特別是SiC與 Si3N4的生產能力，許多公司的提高幅度甚至達到40%左右。
在我國，剛玉的生產已具有相當的規模，而碳化硅和氮化硅，尤其是碳化硅材料的生產則處在相對落后的狀態。整個生產技術保持在國外五十年代的水平，工業企業大量生產低附加值的原材料和初級產品；而許多重要工業部門和國防領域則從國外引進碳化硅材料深加工產品；同時實驗室所進行的許多研究工作卻難以得到直接推廣應用。這樣一種現象有必要引起各方面的注意。
針對以上情況，本文對碳化硅材料及其在有關工程領域的應用，并結合作者的有關工作進行了總結，認為我國目前應把碳化硅工程陶瓷產業化作為工程陶瓷，特別是工程結構陶瓷發展的一個重要突破口，以推動工程陶瓷材料的研究與開發工作。
2．碳化硅材料的制造技術
碳化硅所具有的共價鍵特性使得其具有高硬度、直到2500℃的分解溫度、高導熱系數、低熱膨脹、耐腐蝕等特點，所制得的碳化硅材料具有高的室溫及高溫強度、高熱震抗力、耐磨等優異性能，同時碳化硅又具有優異的高溫半導體特性，可以用作高溫加熱元件和測溫元件。
隨著世界經濟的發展，碳化硅的需求量穩定增長。我國目前粗碳化硅原料的生產能力大約為200000噸，雖然其中有相當大的出口比例，但由于我國碳化硅生產企業的相當一部分是鄉鎮企業，產品質量不高，所生產與出口的碳化硅主要用于制造冶金用耐火材料。同時由于我國的碳化硅原材料企業規模一般都比較小，投資分散、能源浪費、資源浪費，存在著嚴重的高投入、低產出現象。
由于碳化硅的共價鍵特性，在一般工藝條件下難以得到致密的燒結體塊狀材料。人們經常釆用加入助燒劑的方法來改善其燒結特性，或者用第二相結合的方法使碳化硅結合在一起成為塊狀材料。
最早用于結合碳化硅的第二相材料是粘土，但目前更多采用二氧化硅作為制造碳化硅耐火材料的結合劑，通過對生成氧化硅晶型的控制，得到鱗石英，避免了方石英對材料強度、抗氧化性能、熱震性能所造成的危害。這種產品各項性能指標均不高，其室溫彎曲低于50Mpa。
氮化硅作為碳化硅材料的結合相具有較高的熱穩定性和化學穩定性，可以在較低的溫度下(1200-1400℃)通過硅/氮反應得到氮化硅作為結合相的產品。這類產品的強度也不高，但具有較好的耐磨性能和尺寸穩定性，特別適合于與液態金屬接觸的使用環境，但其制造周期長，成本高。
反應結合碳化硅材料也稱作自結合碳化硅材料，傳統的方法是在Acheson電阻爐中通過si02在高溫生成氣態Si0與碳反應生成二次碳化硅作為結合相，我國目前碳化硅產品主要用這種方法生產。使用這種方法生產的碳化硅產品，其彎曲強度一般在70-80MPa，氣孔率大于2%，產品類型與使用范圍受到限制，同時生產過程伴隨嚴重的環境污染、能源和資源浪費。
直接采用氣態或液態硅與碳反應結合的方法可以制得致密碳化硅材料。一般來講，浸演后的復合材料中會保留一定的殘留硅。這種材料的室溫彎曲強度最高可以達到380MPa，600℃時強度僅是室溫強度值的130%，在1350-1410℃時僅比峰值強度下降10%。國外在二十世紀90年代開始推出高性能硅/碳化硅材料同。西安交通大學在科技部“九五”科技攻關項目的支持下，完成了相關工藝技術研究，開發出了高性能硅/碳化硅材料，并在此工藝基礎上，開發出了在較低溫度下制造高性能重結晶碳化硅產品的技術，有關技術通過了教育部組織的專家鑒定，西安天健工程陶瓷有限公司使用該技術已經基本完成了中間試驗工作，可以小批量供應有關產品。
純碳化硅粉末在無壓條件下幾乎很難燒結成致密塊狀材料。對β-SiC以立方結構)粉末的燒結經常將翻和碳作為助劑加入，而對于非立方結構的a-SiC則經常采用翻和碳，或者鋁和碳作為助劑。在超細碳化硅粉末加入燒結助劑在20020℃燒結后的材料相對密度可以達到理論值的96.8%，抗彎強度44Mpa。但此種工藝難以制造形狀復雜、尺寸較大的產品，并由于其高昂的原料、設備、以及制造成本，市場難以接受。
加入燒結助劑的超細碳化硅粉末在2000℃以上進行熱壓，也可以得到密度、性能都非常優異的材料，但這種方法的局限性更大，成本更昂貴。
3．碳化硅陶瓷材料產品的工業應用
磨料、冶金和高溫承載件是目前碳化硅的主要應用領域。據估計，所生產粗碳化硅原材料中有約50%用于磨料，主要生產砂輪、研磨膏和用于花崗巖的鋸切加工；大約35%左右的粗碳化硅用于冶金過程，包括鋼鐵冶煉過程中作為硅和碳源加入，也可以作為脫氧劑使用，或者在金屬熔化時加入碳化硅，碳化硅的放熱分解有利于薄壁鑄件的生產；另有大約15%的粗碳化硅原料經過精選、加工用于制造各種高溫承載件，用于各種熱工設備，其中包括各種窯具、熱交換器、爐襯、加熱元件，以及各種耐磨部件、耐腐蝕零件，髙性能陶瓷機械零件。世界主要碳化硅陶瓷生產廠家也都把這些產品作為其主導產品。以下根據碳化硅產品的不同應用領域加以介紹。
3.1化工、冶金
碳化硅材料對鐵水、熔渣和堿金屬的侵蝕有高的抗力，和高導熱和耐磨損的特性，70年代至90年代初期，全世界已有65%以上的大型高爐采用了氮化硅結合碳化硅材料作為爐身材料，使高爐壽命延長了20%-40%。在冶煉金屬鋁、銅和鋅時，也大量的采用了各種碳化硅材料作為爐襯或坩堝。
在化工、冶金工業中，為了充分利用各種熱爐廢氣中的熱量，經常使用陶瓷熱交換器預熱各種氣體或液體。碳化硅材料由于其優異的熱性能和高溫強度，可以成為最好的換熱器材料。美國 CarborundⅧ皿公司早在1987年就推出了燒結a-SiC制造的 Hexoloy熱交換器(圖1)，其密度大于95%理論密度，保證了液體和氣體的不泄漏，可以用于加冷凝各種液體，從水到各種強腐蝕化學介質，這項工作獲得了美國陶瓷協會技術成就獎
據報道銅冶煉爐采用碳化硅陶瓷熱交換器后可節約燃料27.5%，各種化學過程和金屬冶煉過程需要隨時對工藝過程的溫度進行測量，特別是對各種液體溫度進行測量。碳化硅材料具有高的氧化抗力和耐腐蝕能力，優異的熱震抗力，良好的熱性能，其熱導率是鋼鐵的3倍，是制造1400℃以下測溫用熱電偶保護管的良好材料，可以長期在鹽酸、硝酸、硫酸、以及Zn.Sn，Pb等金屬液體中長期使用。
碳化硅材料還可用于制造浸入式熱電偶端頭測量電爐鋼水的溫度，使用氧化物和氮化硅結合的碳化硅材料可在鋼水中浸入近10次，比直接采用剛玉熱電偶測溫節約大量貴金屬。
未完待續
