碳化硅陶瓷，具有抗氧性強，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(dǎo)率大以及抗熱震和耐化學(xué)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，碳化硅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。
碳化硅陶瓷的優(yōu)異性能與其獨特結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。碳化硅是共價鍵很強的化合物，碳化硅中Si-C鍵的離子性僅12％左右。因此，碳化硅強度高、彈性模量大，具有優(yōu)良的耐磨損性能。純碳化硅不會被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會壓制氧的進一步擴散，故氧化速率并不高。在電性能方面，碳化硅具有半導(dǎo)體性，少量雜質(zhì)的引入會表現(xiàn)出良好的導(dǎo)電性。此外，碳化硅還有優(yōu)良的導(dǎo)熱性。
碳化硅具有α和β兩種晶型。β－碳化硅的晶體結(jié)構(gòu)為立方晶系，Si和C分別組成面心立方晶格；α－碳化硅存在著4H、15R和6H等100余種多型體，其中，6H多型體為工業(yè)應(yīng)用上普遍的一種。在碳化硅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，碳化硅以β－碳化硅形式存在。當(dāng)高于1600℃時，β－碳化硅緩慢轉(zhuǎn)變成α－碳化硅的各種多型體。4H－碳化硅在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－碳化硅，即使溫度超過2200℃，也是非常穩(wěn)定的。碳化硅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)就碳化硅陶瓷的生產(chǎn)工藝簡述如下：
一、碳化硅粉末的合成
碳化硅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(yīng)用的碳化硅粉末都為人工合成。目前，合成碳化硅粉末的主要方法有：
1、Acheson法：
這是工業(yè)上采用多的合成方法，即用電將石英砂和焦炭的混合物加熱至2500℃左右高溫反應(yīng)制得。因石英砂和焦炭中通常含有Al和Fe等雜質(zhì)，在制成的碳化硅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(yīng)。由此可合成高純度的β－碳化硅粉末。
3、熱分解法：
使聚碳硅烷等有機硅聚合物在1200～1500℃的溫度范圍內(nèi)發(fā)生分解反應(yīng)，由此制得亞微米級的β－碳化硅粉末。
4、氣相反相法：
使碳化硅l4和SiH4等含硅的氣體以及CH4、C3H8、C7H8和（Cl4等含碳的氣體或使CH3碳化硅l3、（CH3）2 碳化硅l2和Si（CH3）4等同時含有硅和碳的氣體在高溫下發(fā)生反應(yīng)，由此制備納米級的β－碳化硅超細(xì)粉。
二、碳化硅陶瓷的燒結(jié)
1、無壓燒結(jié)
1974年美國GE公司通過在高純度β－碳化硅細(xì)粉中同時加入少量的B和C，采用無壓燒結(jié)工藝，于2020℃成功地獲得高密度碳化硅陶瓷。目前，該工藝已成為制備碳化硅陶瓷的主要方法。美國GE公司研究者認(rèn)為：晶界能與表面能之比小于1.732是致密化的熱力學(xué)條件，當(dāng)同時添加B和C后，B固溶到碳化硅中，使晶界能降低，C把碳化硅粒子表面的SiO2還原除去，因此B和C的添加為碳化硅的致密化創(chuàng)造了熱力學(xué)方面的有利條件。然而，日本研究人員卻認(rèn)為碳化硅的致密并不存在熱力學(xué)方面的限制。還有學(xué)者認(rèn)為，碳化硅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－碳化硅燒結(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－碳化硅為原料，同時添加B和C，也同樣可實現(xiàn)碳化硅的致密燒結(jié)。
研究表明：單獨使用B和C作添加劑，無助于碳化硅陶瓷充分致密。只有同時添加B和C時，才能實現(xiàn)碳化硅陶瓷的高密度化。為了碳化硅的致密燒結(jié)，碳化硅粉料的比表面積應(yīng)在10m2／g以上，且氧含量盡可能低。B的添加量在0.5％左右，C的添加量取決于碳化硅原料中氧含量高低，通常C的添加量與碳化硅粉料中的氧含量成正比。
近期，有研究者在亞微米碳化硅粉料中加入Al2O3和Y2O3，在1850℃～2000℃溫度下實現(xiàn)碳化硅的致密燒結(jié)。由于燒結(jié)溫度低而具有明顯細(xì)化的微觀結(jié)構(gòu)。
2、熱壓燒結(jié)
50年代中期，美國Norton公司就開始研究B、Ni、Cr、Fe、Al等金屬添加物對碳化硅熱壓燒結(jié)的影響。
有研究者以Al2O3為添加劑，通過熱壓燒結(jié)工藝，也實現(xiàn)了碳化硅的致密化，并認(rèn)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)，也都獲得了致密碳化硅陶瓷。
研究表明：燒結(jié)體的顯微結(jié)構(gòu)以及力學(xué)、熱學(xué)等性能會因添加劑的種類不同而異。如：當(dāng)采用B或B的化合物為添加劑，熱壓碳化硅的晶粒尺寸較小，但強度高。當(dāng)選用Be作添加劑，熱壓碳化硅陶瓷具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)。
3、熱等靜壓燒結(jié)：
近年來，為進一步碳化硅陶瓷的力學(xué)性能，研究人員進行了碳化硅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℃便獲得高密度碳化硅燒結(jié)體。更進一步，通過該工藝，在2000℃和138MPa壓力下，成功實現(xiàn)無添加劑碳化硅陶瓷的致密燒結(jié)。
研究表明：當(dāng)碳化硅粉末的粒徑小于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的碳化硅超細(xì)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碳化硅陶瓷。
另外，Al2O3是熱等靜壓燒結(jié)碳化硅陶瓷的有效添加劑。而C的添加對碳化硅陶瓷的熱等靜壓燒結(jié)致密化不起作用，過量的C甚至?xí)褐铺蓟杼沾傻臒Y(jié)。
4、反應(yīng)燒結(jié)：
碳化硅的反應(yīng)燒結(jié)法早期在美國研究成功。反應(yīng)燒結(jié)的工藝過程為：先將α－碳化硅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(yīng)，生成β－碳化硅，并與α－碳化硅相結(jié)合，過量的Si填充于氣孔，從而得到無孔致密的反應(yīng)燒結(jié)體。反應(yīng)燒結(jié)碳化硅通常含有8％的游離Si。因此，為保證滲Si的完全，素坯應(yīng)具有足夠的孔隙度。一般通過調(diào)整混合料中α－碳化硅和C的含量，α－碳化硅的粒度級配，C的形狀和粒度以及成型壓力等手段來獲得適當(dāng)?shù)乃嘏髅芏取?br />
總之，碳化硅陶瓷的性能因燒結(jié)方法不同而不同。一般說來，無壓燒結(jié)碳化硅陶瓷的綜合性能優(yōu)于反應(yīng)燒結(jié)的碳化硅陶瓷，但次于熱壓燒結(jié)和熱等靜壓燒結(jié)的碳化硅陶瓷
