立方碳化硅陶瓷粉体特性及其应用

一.立方碳化硅的简介：

SiC主要包括两种晶型，α-SiC和β-SiC（如图1）。其中β-SiC就是立方SiC，在SiC原料制备过程中，3C结构的β-SiC择优形成，甚至有实验观察到在1400-1600℃温度范围内由2H-SiC向3C-SiC的相变，如图2所示。一般市售的低温制备的SiC原料都是以β-SiC。

图2.不同温度下SiC多形体存在示意图

二.立方碳化硅的特性：

β-SiC与金刚石接近，光洁度及抛光性能远超白刚玉和α-SiC（黑碳化硅和绿碳化硅）；在1600℃以上温度时β-SiC仍具有超高的强度和；β-SiC比α-SiC的导电性高几倍；β-SiC具有优良的热导率和低膨胀系数，使得其在加热和冷却过程中受到的热应力很小；β-SiC属于低温晶型，超过1800℃时可发生晶型转换；在比重方面，β-SiC比大多数合金小一半，为钢的40%，与铝大致相同。

β-SiC生产方式主要有三种：激光法、等离子法和固相合成法。两种工艺主要合成的为纳米及亚微米粉末，且由于合成时间短，无法做到颗粒的真正致密，且颗粒纯度相对不高；固相合成法工艺方式较多，但都具有一定技术难度，就国际行业调查来看，真正做到高结晶、高纯度、批量化的只有全球范围只有一家企业做到，并已进入市场多年，其他厂家大多停留在理论或实验阶段，产品大多存在β相含量不高、产品杂质多、难以批量生产等多项缺点。

表1.β-SiC的基本性质表

三、立方SiC粉体的应用

β-SiC微粉有很高的化学稳定性、高硬度、高热导率、低热胀系数、宽能带隙、高电子漂移速度、高电子迁移率、特殊的电阻温度特性等，因此具有抗磨、耐高温、耐热震、耐腐蚀、耐辐射、良好的半导电特性等优良性能，被广泛应用于电子、信息、精密加工技术、军工、航空航天、高级耐火材料、特种陶瓷材料、高级磨削材料和和增强材料等领域。其应用范围主要分为以下几类：

（1）烧结微粉β-SiC

在高级结构陶瓷、功能陶瓷及高级耐火材料市场有着非常广阔的应用前景。普通碳化硅陶瓷在烧结过程中需要2300℃、2400℃、2500℃，加添加剂后也仍需2100℃才可结晶，而β-SiC在1800℃即可结晶，并且在β-SiC晶型转换过程中，其体积也会发生变化，对陶瓷烧结致密性能起到良好的作用，从而增加碳化硅陶瓷的韧性和强度等综合性能。在碳化硼陶瓷制品中加入β-SiC能够在降低烧结温度的同时提高产品的韧性，从而使得碳化硼陶瓷性能大幅提高。

（2）电子材料

作为半导性材料，β-SiC比α-SiC高几倍，添加β-SiC后的发电机抗电晕效果非常明显,以及非线性电阻电子器件（图3），同时还具有良好的耐磨、耐高温性能。纯度高的 β-SiC可制成单晶碳化硅晶片，其优异的导电、导热性使其在军工、航天、电子行业等高尖端领域用来替代电子级单晶硅和多晶硅。用β-SiC做的电子封装材料、发热器、热交换器等具有高抗热震性，良好的热导性，产品性能大幅优于其他材料。

（3）特殊涂层

由于β-SiC具有金刚石结构，颗粒呈类球形，具有超耐磨耐腐蚀，超导热，低膨胀系数等特点，使其在特殊涂层中有着良好的应用。将β-SiC超细粉镀到普通材料上，其耐磨寿命会大幅提高，比如普通碳钢的钻头钻10mm钢板，钻1-2个孔便出现损坏情况，而涂有β-SiC的钻头性能可超过合金钻头，可以钻20~50个孔。铝合金活塞在汽缸中大量往复运动，很容易磨损，涂覆β-SiC材料后能够使活塞寿命提高30-50倍。

（4）研磨抛光材料

作为精密研磨抛光材料，β-SiC比白刚玉和α-SiC研磨效率高很多，而且能大幅提高产品光洁度。市场上用金刚石做研磨抛光材料较多，其价格是β-SiC的几十倍甚至几百倍；但β-SiC在众多领域中的研磨效果不亚于金刚石，甚至在磨不锈钢、硅片、玻璃的光洁度都比优于金刚石，价格却是金刚石的几十分之一倍。用白刚玉做的油石、研磨盘广泛用于不锈钢类研磨行业，其抛光性能相对较高，产品使用寿命短；而利用β-SiC做成的研磨材料（油石、研磨盘等），具有光洁度高、磨削力强、寿命长的优势。比如用白刚玉做的油石抛光轴承，用β-SiC做的油石替代后，光洁度能提高2-3个等级，产品寿命提高5-8倍，而且能大幅降低更换油石次数，从而减少劳动强度、提高生产效率。β-SiC做的研磨膏、研磨液、高精密砂布砂带及超耐磨涂层也有着良好的应用前景。

图4.β-SiC 超细研磨粉体

（5）高档特殊添加剂

高分子复合材料及金属材料中加入β-SiC可以大大提高其导热性、降低膨胀系数、增加耐磨性等，而且由于β-SiC的比重小，对材料结构重量不造成影响。高强度尼龙材料、特种工程塑料聚醚醚酮（PEEK）、橡胶轮胎、抗压润滑油等加入超细β-SiC微粉后，其性能提升非常明显.

（6）C粉添加剂

复印机用C粉在加入β-SiC后，流动性及附着力会有明显提升，添加量一般在5%左右即可达到良好的效果。