碳化硅陶瓷的性能

(1) 热性能

在10L3KPa以下，SiC不熔化而发生分解，分解温度始于2050°C,分解达到平衡 的温度约为2500°C„ SiC具有高的热导性和负的温度系数。据文献报道，500°C时热导 率X.=67W/(m K)0 SiC的膨胀系数介于AI2O3和SigN,之间，约为4.7x10'6/K,随着温度 的升高，其膨胀系数增大。高的热导率和较小的膨胀系数使得它具有较好的抗热冲击 性。

(2) 力学性能

SiC的硬度很高，莫氏硬度为929.5,显微硬度为33.4GPa,仅次于金刚石、立方 BN、B」C等少数几种材料。

SiC陶瓷的断裂韧性是比较低的，约为3MPam12—4MPam1/20其强度也不高，但 是高温强度很好，直至140CTC时强度并无明显下降。SiC陶瓷的抗弯强度随其制造工艺 方法不同而异。表1-1给出SiC陶瓷的几种力学性能。

由表1-1可见，随着制造技术工艺的日益进步，SiC陶瓷的抗弯强度已接近Si3N4的 水平，但它的断裂韧性Kic还是比Si3N4低。与Si*4相比较，它具有较高的高温强度和 较好的抗高温蠕变性，这是它作为高温结构陶瓷应用的重要优势。

(1) 电性能

非常纯的碳化硅是绝缘体，其电阻率高达1012Qm，但当含有杂质时，电阻率大幅 度下降到lOWlm,加上它具有负的温度系数，因此是常用的发热元件材料和非线性压 敏材料。碳化硅具有半导体性质，随着所含杂质不同，电阻率变化范围很大。

碳化硅陶瓷的应用

碳化硅(SiC)陶瓷材料具有高温强度大、高温抗氧化性强、耐磨损性能好、热稳 定性佳、热膨胀系数小、热导率大、硬度高、抗热震和耐化学腐蚀等优良特性S⑹，在 汽车、机械化工、环境保护、空间技术、信息电子、能源等领域有着日益广泛的应用， 已经成为一种在很多工业领域性能优异的其他材料不可替代的结构陶瓷。

在汽车工业中，为了提高发动机的热效率，充分利用能源，降低燃料消耗，减少大 气污染，希望发动机的工作温度高于1200笆(据计算，发动机的工作温度由1100 °C提 高到1370°C时，热效率可增加30%)。碳化硅陶瓷因所具有的高温强度，较低的热膨 胀系数，较高的导热系数和较好的抗热冲击性而被认为是使用温度超过1200C最有前 途的候选材料。拥有先进陶瓷技术的国家如美国、德国和口本已研发出釆用碳化硅陶瓷 的发动机零部件如发动机定子、转子、燃烧器及涡形管并取得了良好的使用效果，目前 正致力于全陶瓷发动机的开发研究。

机械设备中的动密封是通过两个密封端面材料的旋转滑动而进行的，作为密封端面 材料，要求硬度高，具有耐磨损性。碳化硅陶瓷的硬度相当高且摩擦系数小，故碳化硅 陶瓷作为机械密封端面材料可获得其它材料所无法达到的滑动特性。另一方面，两个端 面密封材料在旋转运动过程中由于摩擦会产生一定的热量，从而使密封端面的局部温度 升高，因此端面材料还必须能够耐受一定的温度。为了避免端面密封材料在旋转滑动过 程中产生热应变和热裂，要求端面材料的导热系数高、抗热震性好。目前，碳化硅陶瓷 已经在各类机械密封中获得大量的应用，并为机械设备的省力和节能做出了很大的贡 献，显示岀其他材料所无法比拟的优越性。碳化硅陶瓷在机械工业中还被成功地用作各 种轴承和切削刀具等。

航空航天、原子能工业等需要耐受超高温度的场合如核裂变和核聚变反应堆中需要 的可承受2000°C左右高温的耐热材料；火箭和航天飞行器表面用于耐受与大气剧烈摩 擦中产生的高达数千K温度的隔热瓦；火箭发动机燃烧室喉衬和内衬材料、燃气涡轮 叶片；高温炉的顶板、支架，以及高温实验用的卡具等高温构件也普遍采用碳化硅陶瓷 构件117-19]=而在石油化学工业中既耐强酸又耐强碱的碳化硅材料被广泛地用作各种耐腐 蚀用容器和管道。

伴随人类进入微电子时代的摩尔定律所预言的集成电路集成度每隔18个月就要增 加一倍目前受到了前所未有的挑战。芯片的集成度越来越高、发热量越来越大，过高的 温度能导致集成电路芯片的永久失效从而制约了芯片集成度的进一步提高。如把导热能 力高的绝缘性碳化硅陶瓷作为集成电路基片则能起到降低电路功耗的作用。

在国防军事领域，碳化硅陶瓷还是吸收电磁波的好材料，对雷达波和所有高频电磁 波都具有良好的吸收能力，能吸收10—10200MHz的电波且吸收能力高达99.2%。可用 于侦察机、导弹和卫星表面的雷达波吸收，避免攻击

碳化硅陶瓷的用途則可以概括如表1-2所示。

总之，SiC的应用非常广泛。当然对于上述这些高温应用，在使用温度范围内材料 的力学性质固然重要，但是它的抗冲击性及更高温度下的抗氧化性还有待进一步改进和提高。