【正文】 粗糙度，模腔的平行度和模具出口的錐度，陰模與模沖間的間隙和配合，陰模 與模沖凌角的幾何半徑及其他幾何因素等，模具裝配時，要求做到上、下模和模腔中心線在同一直線上 , 襯板一定要垂直 90度，下模與模腔的配合 , 要上、下靈活 , 不能過緊也不能過松。在壓制成型過程中，模具和粉末之間的相互摩擦?xí)斐赡＞叩哪p，因此模具材料必須要求有很好的耐磨性能。 坯料的成型技術(shù)要求 成型方法要求 首先是成型方法的選擇， 選擇成型方法時，希望在保證產(chǎn)品品質(zhì)的前提下，選用設(shè)備先進(jìn)、生產(chǎn)周期最短、成本最低的一種成型方法。 本次我們用噴霧造粒法制造碳化硅粉粒，在噴霧過程中要求控制好系統(tǒng)的溫度、漿料的粘度和漿料的進(jìn)給速度等，這都直接影響粒度的大小，形狀及粒度分布。若形成團(tuán)粒，則 流動性好，裝模方便，分布均勻。對于碳化硅用粉料的粒度，應(yīng)是越細(xì)越好，但太細(xì)對成型性不好。本方案要求制備出 98%的亞微米α SiC 粉。 1 13 3 3 生產(chǎn)技術(shù)要求 SiC 粉體的制備技術(shù)要求 碳化硅粉體的制備技術(shù)就其形成原理可分為機(jī)械粉碎法和合成法 , 方法的優(yōu)劣可從粒子純度、表面的清潔度、粒子粒徑、粒度分布可控性、粒子幾何形狀規(guī)一性、是否易于收集、粉體團(tuán)聚程度、熱穩(wěn)定性六個方面加以評價。 為此 , 磨削加工過程中必須使用冷卻液對砂輪與工件接觸部位進(jìn)行噴射冷卻 , 以降低磨削溫度 , 并起到?jīng)_走磨屑、清洗工件的作用。 冷卻液的選擇及加工 磨削加工陶瓷材料時會產(chǎn)生大量磨削熱 , 工作區(qū)溫度可高達(dá) 1000 度。如選用的垂直進(jìn)給量過大 , 脆性工件受到過大切削力和工件自身內(nèi)應(yīng)力等的作用 , 也容易發(fā)生破碎。 磨削參數(shù)的選擇 磨削參數(shù)的選擇直接關(guān)系到陶瓷環(huán)的表面加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。因此 , 在選擇磨削加工陶瓷環(huán)的砂輪時 , 必須保證砂輪硬度高、刃口鋒銳、磨削性能好 , 且在磨削過程中砂輪顆粒不易脫落 , 可長時間保持砂輪鋒利、出刃等優(yōu)良特性。根據(jù)上述比較綜合，為 達(dá)到本設(shè)計(jì)要求，所以采用無壓燒結(jié)?？傊?SiC 陶瓷的性能因燒結(jié)方法不同而不同。就耐高溫性能比較來看，當(dāng)溫度低于 900℃時，幾乎所有 SiC 陶瓷強(qiáng)度均有所提高；當(dāng)溫度超過 1400℃時，反應(yīng)燒結(jié) SiC 陶瓷抗彎強(qiáng)度急劇下降。另一方面， SiC 陶瓷的力學(xué)性能還隨燒結(jié)添加劑的不同而不同。 1400 —1600℃ 燒結(jié)溫度低；收縮率為零；多孔質(zhì)，強(qiáng)度低；殘留游離硅多（ 8%15%），影響性能 熱壓燒結(jié) 添加 B+C 、B4C 、 BN 、 AL 、AL2O ALN 等燒結(jié)，助劑，一面加壓，一面燒結(jié) . 19502100℃ 2040MPa 密度高，抗彎強(qiáng)度高； 不能制備形狀復(fù)雜制品；成本高 常壓燒結(jié) 添加 B、 C、AL+B+C 、AL2O3+Y2O3 等燒結(jié)助劑的胚體，在惰性氣氛進(jìn)行固相或液相燒結(jié) 20202200℃ 能制備出各種形狀復(fù)雜制品；強(qiáng)度較高；純度高，耐蝕性；燒結(jié)溫度高（缺點(diǎn)） 高溫?zé)岬褥o壓燒結(jié) 將陶瓷粉料或陶瓷素胚，經(jīng)包封后放入高溫?zé)岬褥o壓裝置中，在高溫高壓（各方向均勻加壓）下燒結(jié) 2020℃左右 高密度，高強(qiáng)度；燒結(jié)溫度低，燒結(jié)時間縮短 表 32 不同燒結(jié)方法制得的 SiC 制品的性質(zhì) 性質(zhì) 熱壓 SiC 常壓燒結(jié) SiC 反應(yīng) 燒結(jié) SiC 密度 /g/cm3 1 11 3 氣孔率 /% 1 2 1 硬度 /HRA 94 94 94 抗彎強(qiáng)度/MPa,室溫 989 590 490 抗彎強(qiáng)度/MPa,1000℃ 980 590 490 抗彎強(qiáng)度/MPa,1200℃ 1180 590 490 斷裂韌性/() 韋伯模數(shù) 10 15 15 彈性模量/GPa 430 440 440 熱導(dǎo)率 /﹝ W/()﹞ 6 84 84 熱膨脹系數(shù)/( 106/℃ ) 實(shí)驗(yàn)方案討論：采用無壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)和反應(yīng)燒結(jié)的 SiC陶瓷具有各自的性能特點(diǎn)。說明在高溫、高壓條件下，也能實(shí)現(xiàn)碳化硅粉體致密化。 1988 年， Dutta 以 B 和 C為燒結(jié)助劑，僅在 1900℃下，即通過 HIP 工藝獲得理論密度達(dá) 98%的碳化硅材料。這種工藝是通過作為爐子外壁的高壓容器，內(nèi)用惰性 氣體對樣品進(jìn)行各向同性的均勻加壓。熱壓燒結(jié)時間短、燒結(jié)溫度相對較低；燒結(jié)助劑量少，可制得高密度產(chǎn)品；生產(chǎn)效率低，只能生產(chǎn)形狀簡單的制品。 （ 3） 熱壓燒結(jié) SiC陶瓷 為獲得更致密、強(qiáng)度更高的制品，可采用熱壓工藝。因此，反應(yīng)燒結(jié)碳化硅的使用溫度限制在 1350℃。但反應(yīng)燒結(jié)碳化硅往往含有 8%20%的游離硅，使用溫度不宜過高。同時，反應(yīng)燒結(jié)工藝可以將制品的加工余量控制在最小范圍，使的加工成本大為降低。反應(yīng)燒結(jié)碳化硅對原料要求相對較低，顆粒級配的碳化硅粒徑在 120 微米范圍內(nèi)，無需特殊處理， C 粉、粘結(jié)劑等都是市場成熟供應(yīng)的原料。因此，為保證滲 Si的完全，素坯應(yīng)具有足夠的孔隙度。在高溫下（ 1450~1750℃）與液態(tài) Si 接觸，坯體中的 C 與滲入的 Si 反應(yīng)，生成β－ SiC，并與α－ SiC 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。 （ 2） 反應(yīng)燒結(jié) SiC 的反應(yīng)燒結(jié)法最早在美國研究成功。（本方案選擇的 SiC 粉為亞微米級、燒結(jié)助劑為 B4C） . 對于在空氣中難于燒結(jié)的陶瓷制品（如透光體或非氧化物）常用氣氛燒結(jié)法。其特點(diǎn)是無需外加壓力使碳化硅實(shí)現(xiàn)致密化 (致密化有兩中途徑：固相燒結(jié)和液相燒結(jié) )，因此對制品的形狀沒有限制，可以與各種成型方法配合，是最為經(jīng)濟(jì)實(shí)用的的制備碳化硅的方法。目前，該工藝已成為制備 SiC 陶瓷的主要方法。本實(shí)驗(yàn)選用無壓燒結(jié)的方法，該法燒結(jié)的 SiC 陶瓷產(chǎn)品相對密度可達(dá) 96%以上，而且燒結(jié)前后制品不發(fā)生過量的塑性變形，制備工藝可控性高。無壓燒結(jié) SIC 的力學(xué)性能隨添加劑、燒結(jié)溫度、顯微結(jié)構(gòu)的不同而有差異。為了降低燒結(jié)溫度一 般采用 YAG 為 SIC的燒結(jié)添加劑。 （ 2） Y2O3AL2O3 的作用 碳化硅的液相燒結(jié)是美國科學(xué)家 Mulla MA 于 20 世紀(jì) 90 年代初實(shí)現(xiàn)的，它的主要添加劑是 Y2O3AL2O3。固相燒結(jié)的 SIC，晶界較為“干凈”，基本無液相生成，晶粒在高溫下很容易長大，因此它的強(qiáng)度和韌性一般都不高，分別為 300450MPa 與 ,但晶界“干凈”高溫強(qiáng)度并不隨溫度的升高而變化，一般用到 1600℃時強(qiáng)度仍不發(fā)生變化。加入 C可與表面 SiO2 發(fā)生 SiO2+3C→ SiC+2CO↑的反應(yīng)，使表面能由 105J/cm2 提高到 104 J/cm2，從而使γ G /γ s減小，有利于燒結(jié)。然而，在 SiC 中加 B和 B的化合物， B在晶界選擇性偏析，部分 B 和 SiC 形成固溶體，降低了 SIC 的晶界表面能γ G，使γ G /γ s減小，增大了燒結(jié)驅(qū)動力，促進(jìn)了燒結(jié)。他在亞微米級得β－ SiC 中添加少量的 B 和C,實(shí)現(xiàn)了 SIC 無壓燒結(jié)，制得接近理論密度 95%的致密燒結(jié)體。 碳化硅的無壓燒結(jié)可分成固相燒結(jié)和液相燒結(jié)兩種。燒結(jié)添加物量相對碳化硼要求較少，大致在 %%之間， Prochazaka指出， wt%B 和 %C 同時加入到細(xì)的β SIC 粉末中，采用 2040℃、在He氣流中燒結(jié)可獲得 95%99%理論密度，只用 C加入則沒有收縮，除碳以外沒有發(fā)現(xiàn)第二相。在相鄰粒子間只形成頸部，不發(fā)生收縮（ Popper 和 Davies1962）。 SiC 陶瓷燒結(jié)特點(diǎn) SiC 是一種共價鍵很強(qiáng)的化合物，加上它的擴(kuò)散系數(shù)很低（即在 2100℃， C和 Si在α Si單晶中擴(kuò)散系數(shù)分別為 DC = 1010 cm2/s,Dsi= 1013 cm2/s,在β－ SiC 多晶中自擴(kuò)散系數(shù)分別為 DC = 1010 cm2/s,Dsi= 1013 cm2/s,，β－ SiC 晶體晶面擴(kuò)散系數(shù)為 DC = 105 cm2/s），所有很難燒結(jié)。此法最大優(yōu)勢在于易于實(shí)現(xiàn)自動化 ,所 以在工業(yè)生產(chǎn)中得到較大的應(yīng)用。噴霧造粒結(jié)束后，測量其流動性和松裝密度。漿料通過低噴式壓力噴嘴霧化 , 按混流方式與熱空氣混合并被干燥形成顆粒粉料。 漿料的制備過程 將按配比稱好的亞微米級 SiC 粉、蒸餾水（加 240 ml， 留 20ml 溶解 HT）B4C、無水乙醇（由于酚醛的粘度很大，很容易粘在器壁上，最好用乙醇溶解酚醛樹脂后再一起加入）、聚胺脂球放入硬質(zhì)塑料罐 ,然后分別將作為粘結(jié)劑、增塑劑和潤滑劑的有機(jī)添加劑酚醛樹脂、 Daraync 油酸按比例加入后放到三維混料機(jī)初混 2h。本方案通過以下制備工藝，制備出滿足以上要求的碳化硅陶瓷密封環(huán)。因而是制造密封環(huán)的理想材料。 氮化硅陶瓷的用途 表 11 碳化硅陶瓷的主要用途 工業(yè)領(lǐng)域 使 用領(lǐng)域 主要用途 性能特點(diǎn) 石油 高溫液高壓摩擦 噴嘴、軸承、閥片、密閉件 耐磨損抗腐蝕 1 4 3 化學(xué) 強(qiáng)酸強(qiáng)堿氧化高溫 密封件、軸承、泵套筒管道 耐磨損、抗腐蝕 宇航 高溫 燃燒室部件、渦輪轉(zhuǎn)子燃?xì)鈾C(jī)葉片、火箭噴嘴、火箭燃燒室內(nèi)襯 低摩擦、高強(qiáng)度、耐熱沖擊、高熱穩(wěn)定性耐腐蝕 汽車 油摩擦 閥系列元件 低摩擦、耐磨損 鋼鐵 高溫空氣 燃燒嘴 耐高溫、耐腐蝕 造紙 紙漿廢液紙漿 密封件、軸承、套筒 低摩擦、耐磨損 耐腐蝕 電子 散熱 集成電路基板、封裝材料 高熱導(dǎo)、高絕緣 機(jī)械 研磨滑動旋轉(zhuǎn) 內(nèi)襯泵零 件、噴砂嘴、軸承閥 耐磨損、耐腐蝕、 高硬度、低摩擦 激光 高溫 反射屏 高剛度、高穩(wěn)定性 核能 含硼高壓水 密閉件、軸套 耐輻射 加工 成型過程 拉絲模 耐磨損、耐腐蝕 硅酸鹽 高溫 電爐發(fā)熱體 高熱穩(wěn)定性 冶金 高溫 熱交換器 耐高溫 本方案的目的及意義 碳化硅陶瓷的耐化學(xué)腐蝕性好、強(qiáng)度高、硬度高，耐磨性能好、摩擦系數(shù)小，且高溫力學(xué)性能 (強(qiáng)度、抗蠕變性等 )是已知陶瓷材料中最佳的。β－ SiC 只有一種，屬立方晶系，密度為。 4H、 6H 屬于六方晶系，在 2100℃和 2100℃以上是穩(wěn)定的； 15RSIC 為菱面（斜方 六面）晶系，在 2020℃以上是穩(wěn)定的。四面體共邊形成平面層，并以定點(diǎn)與下一疊層四面體相連形成三維結(jié)構(gòu)，由于四面體的堆積次序的不同，可以形成不同的結(jié)構(gòu)，至今已發(fā)現(xiàn)幾百種變體，常見的晶型有六方晶系的α－ Si 和立方晶系β－ SiC。 SiC 結(jié)晶形態(tài)和晶體結(jié)構(gòu) 碳化硅是共價鍵非常強(qiáng)的化合無，其晶體結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)單 元是 SiC4 和SiC4 配位四面體，通過定向的強(qiáng)四面體 SP 鍵結(jié)合在一起，并有一定程度的極化。根據(jù)我們預(yù)測，預(yù)計(jì) 2020 年，市場對綠碳化硅塊需求量將突破 120 萬噸。在碳化硅生產(chǎn)中，關(guān)注生產(chǎn)制造的綠色、低碳化。所以碳化硅行業(yè)的未來發(fā)展將面臨很多不確定性。 碳化硅是光伏產(chǎn)業(yè)鏈上游環(huán)節(jié) —— 晶硅片生產(chǎn)過程中的專用材料，受光伏行業(yè)發(fā)展的帶動，碳化硅行業(yè)通過產(chǎn)品結(jié)構(gòu)升級和下游需求的擴(kuò)展帶來了一些機(jī)會。 隨著傳統(tǒng)礦物質(zhì)能源日益枯竭，以太陽能電池為代表的光伏產(chǎn)業(yè)得到迅速發(fā)展。尤其是高性能工程陶瓷、用以高端的研磨粉等產(chǎn)品的供應(yīng)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有滿足，核心技術(shù)大多仍由日本控制。碳化硅行業(yè)產(chǎn)量大，但缺乏競爭力。 北方民族大學(xué)課程 設(shè)計(jì)報告 系（部、中心） 材料科學(xué)與工程學(xué)院 姓 名 學(xué) 號 專 業(yè) 同組人員 課程名稱 設(shè)計(jì)題目名稱 起止時間 成 績 指導(dǎo)教師簽名 北方民族大學(xué)教務(wù)處 1 2 目錄 1 產(chǎn)品簡介 ......