碳化硅陶瓷的性能

一、氮化硅陶瓷

性能：烧结时不收缩的无机材料，热膨胀系数小且极耐高温，强度一直可以维持到1200C的高温而不下降，热震稳定性极好并有惊人的耐化学腐蚀性能，能耐几乎所有的无机酸和30%以下的烧碱溶液，是一种高性能电绝缘材料。

优点：抵抗冷热冲击性能好，在空气中加热到1000C以上，急剧冷却再急剧加热，也不会碎裂，相较于氧化铝来说不易传热。

缺点：断裂韧性系数低，在陶瓷里面机械强度属于中下等，易裂易碎。

应用：高温轴承、机械密封环、输送铝液的电磁泵的管道及阀门等。

二、碳化硅陶瓷

性能：具有优良的常温力学性能，高能抗弯强度，优良的抗氧化性，良好的耐腐

蚀性，高的抗磨损以及低的摩擦系数，其高温强度可一直维持到1600C，是陶瓷

材料中高温强度最好的材料，抗氧化性也是所有非氧化物陶瓷中最好的。

优点：碳化硅陶瓷具有优良的抗高温蠕变性能，且具有半导体性能，少量杂质的掺入会

表现出良好的导电性，加工可获得镜面的效果。

缺点：碳化硅陶瓷的缺点是断裂韧性较低，即脆性较大。

应用：广泛应用于大型高炉内衬；机械密封环，去金属毛刺的刀具等。

氮化硅是价格较贵！

氧化锆它的相变增韧效果不稳定，有时效性，一旦这一问题克服，不光氧化锆，整个陶瓷领域都会可能有突破！。

氧化铝比较更普遍些便宜些，耐温强度都不错，氧化锆耐磨比氧化铝好，使用温度也高，但是抗热震比氧化铝差。氮化硅的话耐磨抗热震强度等综合性能好，但是使用温度比其他两种要低。价格最贵。

氧化铝陶瓷是应用最早，到现在还在应用的陶瓷材料。价格便宜，性能稳定，产品多样化。市场肯定是氧化铝的大最大，为什么呢？比较后两者，你就明白了。

主要 从性能和价格上进行比较。那么从市场角度就是性价比了。

从价格上来说，氧化铝最便宜，粉体原料的制备工艺也非常成熟，而后两者在这方面具有明显的劣势，这也是制约后两者发展的瓶颈之一。

从性能上来说，氮化硅和氧化锆的强度、韧性等机械性能远优于氧化铝，似乎性价比还合适，但事实上存在很多问题。

先从氧化锆来说，它具有高韧性，原因是有稳定剂的存在，但是它的这种高韧性是有时效性的，比如氧化锆器件放置空气一段时间后，失稳，那么性能就会严重下降，甚至开裂！！！而且高温时候是没有亚稳相，那就没有高韧性的特点，因此无法在高温使用和室温的时效性都严重制约氧化锆发展，应该说它是三者中市场最小的。

谈到氮化硅，也是近二十来年的热门陶瓷，但是它的成品制备工艺也比氧化铝要复杂，相比氧化锆的应用要好得多，但还是不如氧化铝。

碳化硅材料作为应用领域最为广泛的一种新型材料，越来越多被应用于碳化硅陶瓷生产方面。碳化硅陶瓷产品具有以下优点：1、耐化学腐蚀；2、耐高温，正常使用在1800℃；3、耐骤冷骤热，不易炸裂；4、可重复使用；5、结构性能稳定；6、超高温稳定性；7、热传导性高。

正由于碳化硅陶瓷所具有耐磨、耐腐蚀、抗氧化、导热快、高温不易发生形变的特点，可有效防止高温溶液对硅碳棒、硅钼棒的侵蚀，因而被广泛应用于铝制品除气系统、印染机械、石油、矿山、钢铁、电力等行业，可有效延长设备的使用寿命和使用周期。

碳化硅陶瓷不仅具有优良的常温力学性能，如抗弯强度高、抗氧化性好、耐腐蚀性良好、耐磨性能好以及摩擦系数低，而且高温力学性能，特别是强度、抗蠕变性能方面在已知陶瓷材料中也是最好的。尤其在石油化工、微电子、航空航天、汽车等工业领域也不断获得广泛应用。

1.氮连接结合碳化硅喷嘴(白色)

其优点是硬度很高，耐磨性强，有利有弊，材料过硬不能做螺旋喷嘴。

2.碳化硅喷嘴(黑色，绿色)

其优点是硬度高，延展性好，即可做螺旋喷嘴亦可做涡流喷嘴，当然有利有弊其耐磨度相对差一点。

普通材料

采用天然原料如长石、粘土和石英等烧结而成，是典型的硅酸盐材料，主要组成元素是硅、铝、氧，这三种元素占地壳元素总量的90%，普通陶瓷来源丰富、成本低、工艺成熟。这类陶瓷按性能特征和用途又可分为日用陶瓷、建筑陶瓷、电绝缘陶瓷、化工陶瓷等。

特种材料

采用高纯度人工合成的原料，利用精密控制工艺成形烧结制成，一般具有某些特殊性能，以适应各种需要。根据其主要成分，有氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、金属陶瓷等；特种陶瓷具有特殊的力学、光、声、电、磁、热等性能。本节主要介绍特种陶瓷。

特种材料分类

根据用途不同，特种陶瓷材料可分为结构陶瓷、工具陶瓷、功能陶瓷。

结构陶瓷

氧化铝陶瓷主要组成物为Al2O3，一般含量大于45%。氧化铝陶瓷具有各种优良的性能。耐高温，一般可要1600℃长期使用，耐腐蚀，高强度，其强度为普通陶瓷的2~3倍，高者可达5~6倍。其缺点是脆性大，不能接受突然的环境温度变化。用途极为广泛，可用作坩埚、发动机火花塞、高温耐火材料、热电偶套管、密封环等，也可作刀具和模具。

氮化硅陶瓷主要组成物是Si3N4，这是一种高温强度高、高硬度、耐磨、耐腐蚀并能自润滑的高温陶瓷，线膨胀系数在各种陶瓷中最小，使用温度高达1400℃，具有极好的耐腐蚀性，除氢氟酸外，能耐其它各种酸的腐蚀，并能耐碱、各种金属的腐蚀，并具有优良的电绝缘性和耐辐射性。可用作高温轴承、在腐蚀介质中使用的密封环、热电偶套管、也可用作金属切削刀具。

碳化硅陶瓷主要组成物是SiC，这是一种高强度、高硬度的耐高温陶瓷，在1200℃~1400℃使用仍能保持高的抗弯强度，是目前高温强度最高的陶瓷，碳化硅陶瓷还具有良好的导热性、抗氧化性、导电性和高的冲击韧度。是良好的高温结构材料，可用于火箭尾喷管喷嘴、热电偶套管、炉管等高温下工作的部件；利用它的导热性可制作高温下的热交换器材料；利用它的高硬度和耐磨性制作砂轮、磨料等。

六方氮化硼陶瓷主要成分为BN，晶体结构为六方晶系，六方氮化硼的结构和性能与石墨相似，故有“白石墨”之称，硬度较低，可以进行切削加工具有自润滑性，可制成自润滑高温轴承、玻璃成形模具等。

工具陶瓷

硬质合金主要成分为碳化物和粘结剂，碳化物主要有WC、TiC、TaC、NbC、VC等，粘结剂主要为钴（Co）。硬质合金与工具钢相比，硬度高（高达87~91HRA），热硬性好（1000℃左右耐磨性优良），用作刀具时，切削速度比高速钢提高4~7倍，寿命提高5~8倍，其缺点是硬度太高、性脆，很难被机械加工，因此常制成刀片并镶焊在刀杆上使用，硬质合金主要用于机械加工刀具；各种模具，包括拉伸模、拉拔模、冷镦模；矿山工具、地质和石油开采用各种钻头等。

金刚石天然金刚石（钻石）作为名贵的装饰品，而合成金刚石在工业上广泛应用，金刚石是自然界最硬的材料，还具备极高的弹性模量；金刚石的导热率是已知材料中最高的；金刚石的绝缘性能很好。金刚石可用作钻头、刀具、磨具、拉丝模、修整工具；金刚石工具进行超精密加工，可达到镜面光洁度。但金刚石刀具的热稳定性差，与铁族元素的亲和力大，故不能用于加工铁、镍基合金，而主要加工非铁金属和非金属，广泛用于陶瓷、玻璃、石料、混凝土、宝石、玛瑙等的加工。

立方氮化硼（CBN）具有立方晶体结构，其硬度高，仅次于金刚石，具热稳定性和化学稳定性比金刚石好，可用于淬火钢、耐磨铸铁、热喷涂材料和镍等难加工材料的切削加工。可制成刀具、磨具、拉丝模等

其它工具陶瓷尚有氧化铝、氧化锆、氮化硅等陶瓷，但从综合性能及工程应用均不及上述三种工具陶瓷。

新型陶瓷又称为工业陶瓷，即工业生产用及工业产品用陶瓷。是精细陶瓷中的一类，这类陶瓷在应用中能发挥机械、热、化学等功能。由于工业陶瓷具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损、耐冲刷等一系列优越性，可替代金属材料和有机高分子材料用于苛刻的工作环境，已成为传统工业改造、新兴产业和高新技术中必不可少的一种重要材料，在能源、航天航空、机械、汽车、电子、化工等领域具有十分广阔的应用前景。利用耐腐蚀、与生物酶接触化学稳定性好的陶瓷来生产冶炼金属用坩锅、热交换器、生物材料如牙人工漆关节等，利用特有的俘获和吸收中子的陶瓷来生产各种核反堆结构材料等。

新型陶瓷分类：

1、氧化铝陶瓷

该陶瓷是以AL2O3为主要成分的陶瓷（AL2O3质量分数分成>45%).根据瓷坯中主晶相的不同，可分为刚玉瓷、刚玉一莫来石瓷和莫来石瓷等；也可按AL2O3的质量分数分成75瓷、95瓷和99瓷等。

应用：氧化铝瓷熔点高、硬度高、强度高、且具有良好的抗化学腐蚀能力和介质介电性能。但脆性大、抗冲击性能和抗热震性差，不能承受环境温度的剧烈变化。可用于制造高温炉的炉管、炉衬、内燃机的火花塞等，还可制造高硬度的切削刀具，又是制造热电偶绝缘套管的良好材料。

2、碳化硅陶瓷

碳化硅陶瓷的最大特点是高温强度大，具有很高的热传导能力，耐磨、耐蚀、抗蠕变性能高，常被用做国防、宇航等科技领域中的高温烧结材料，即用于制造火箭尾喷管的喷嘴、浇注金属用的喉嘴及热电偶套管、炉管等高温零件。

应用：由于热传导能力高，还可用于制造气轮机的叶片、轴承等高温强度零件，以及用做高温热交换器的材料、核燃料的包封材料等。

3、氮化硅陶瓷

氮化硅陶瓷，是一种烧结时不收缩的无机材料陶瓷。氮化硅的强度很高，尤其是热压氮化硅，是世界上最坚硬的物质之一。具有高强度、低密度、耐高温等性质。

Si3N4 陶瓷是一种共价键化合物，基本结构单元为[ SiN4 ]四面体，硅原子位于四面体的中心，在其周围有四个氮原子，分别位于四面体的四个顶点，然后以每三个四面体共用一个原子的形式，在三维空间形成连续而又坚固的网络结构。

采用高纯度人工合成的原料，利用精密控制工艺成形烧结制成，一般具有某些特殊性能，以适应各种需要。根据其主要成分，有氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、金属陶瓷等；特种陶瓷具有特殊的力学、光、声、电、磁、热等性能。本节主要介绍特种陶瓷。

特种材料分类

根据用途不同，特种陶瓷材料可分为结构陶瓷、工具陶瓷、功能陶瓷。

结构陶瓷

氧化铝陶瓷主要组成物为Al2O3，一般含量大于45%。氧化铝陶瓷具有各种优良的性能。耐高温，一般可要1600℃长期使用，耐腐蚀，高强度，其强度为普通陶瓷的2~3倍，高者可达5~6倍。其缺点是脆性大，不能接受突然的环境温度变化。用途极为广泛，可用作坩埚、发动机火花塞、高温耐火材料、热电偶套管、密封环等，也可作刀具和模具。

氮化硅陶瓷主要组成物是Si3N4，这是一种高温强度高、高硬度、耐磨、耐腐蚀并能自润滑的高温陶瓷，线膨胀系数在各种陶瓷中最小，使用温度高达1400℃，具有极好的耐腐蚀性，除氢氟酸外，能耐其它各种酸的腐蚀，并能耐碱、各种金属的腐蚀，并具有优良的电绝缘性和耐辐射性。可用作高温轴承、在腐蚀介质中使用的密封环、热电偶套管、也可用作金属切削刀具。

碳化硅陶瓷主要组成物是SiC，这是一种高强度、高硬度的耐高温陶瓷，在1200℃~1400℃使用仍能保持高的抗弯强度，是目前高温强度最高的陶瓷，碳化硅陶瓷还具有良好的导热性、抗氧化性、导电性和高的冲击韧度。是良好的高温结构材料，可用于火箭尾喷管喷嘴、热电偶套管、炉管等高温下工作的部件；利用它的导热性可制作高温下的热交换器材料；利用它的高硬度和耐磨性制作砂轮、磨料等。

六方氮化硼陶瓷主要成分为BN，晶体结构为六方晶系，六方氮化硼的结构和性能与石墨相似，故有“白石墨”之称，硬度较低，可以进行切削加工具有自润滑性，可制成自润滑高温轴承、玻璃成形模具等。

工具陶瓷

硬质合金主要成分为碳化物和粘结剂，碳化物主要有WC、TiC、TaC、NbC、VC等，粘结剂主要为钴（Co）。硬质合金与工具钢相比，硬度高（高达87~91HRA），热硬性好（1000℃左右耐磨性优良），用作刀具时，切削速度比高速钢提高4~7倍，寿命提高5~8倍，其缺点是硬度太高、性脆，很难被机械加工，因此常制成刀片并镶焊在刀杆上使用，硬质合金主要用于机械加工刀具；各种模具，包括拉伸模、拉拔模、冷镦模；矿山工具、地质和石油开采用各种钻头等。

金刚石天然金刚石（钻石）作为名贵的装饰品，而合成金刚石在工业上广泛应用，金刚石是自然界最硬的材料，还具备极高的弹性模量；金刚石的导热率是已知材料中最高的；金刚石的绝缘性能很好。金刚石可用作钻头、刀具、磨具、拉丝模、修整工具；金刚石工具进行超精密加工，可达到镜面光洁度。但金刚石刀具的热稳定性差，与铁族元素的亲和力大，故不能用于加工铁、镍基合金，而主要加工非铁金属和非金属，广泛用于陶瓷、玻璃、石料、混凝土、宝石、玛瑙等的加工。

立方氮化硼（CBN）具有立方晶体结构，其硬度高，仅次于金刚石，具热稳定性和化学稳定性比金刚石好，可用于淬火钢、耐磨铸铁、热喷涂材料和镍等难加工材料的切削加工。可制成刀具、磨具、拉丝模等

其它工具陶瓷尚有氧化铝、氧化锆、氮化硅等陶瓷，但从综合性能及工程应用均不及上述三种工具陶瓷。

功能陶瓷

功能陶瓷通常具的特殊的物理性能，涉及的领域比较多，常用功能陶瓷的特性及应用见表。

常用功能陶瓷 种类 性能特征 主要组成 用途 介电陶瓷 绝缘性 Al2O3、Mg2SiO4 集成电路基板 热电性 PbTiO3、BaTiO3 热敏电阻 压电性 PbTiO3、LiNbO3 振荡器 强介电性 BaTiO3 电容器 光学陶瓷 荧光、发光性 Al2O3CrNd玻璃 激光 红外透过性 CaAs、CdTe 红外线窗口 高透明度 SiO2 光导纤维 电发色效应 WO3 显示器 磁性陶瓷 软磁性 ZnFe2O、γ-Fe2O3 磁带、各种高频磁心 硬磁性 SrO．6 Fe2O3 电声器件、仪表及控制器件的磁芯 半导体陶瓷 光电效应 CdS、Ca2Sx 太阳电池 阻抗温度变化效应 VO2、NiO 温度传感器 热电子放射效应 LaB6、BaO 热阴极 精陶瓷

陶瓷材料中已崛起了精细陶瓷，它以抗高温、超强度、多功能等优良性能在新材料世界独领风骚。精细陶瓷是指以精制的高纯度人工合成的无机化合物为原料，采用精密控制工艺烧结的高性能陶瓷，因此又称先进陶瓷或新型陶瓷。精细陶瓷有许多种，它们大致可分成三类。

结构陶瓷

这种陶瓷主要用于制作结构零件。机械工业中的一些密封件、轴承、刀具、球阀、缸套等都是频繁经受摩擦而易磨损的零件，用金属和合金制造有时也是使用不了多久就会损坏，而先进的结构陶瓷零件就能经受住这种“磨难”。

电子陶瓷

指用来生产电子元器件和电子系统结构零部件的功能性陶瓷。这些陶瓷除了具有高硬度等力学性能外，对周围环境的变化能“无动于衷”，即具有极好的稳定性，这对电子元件是很重要的性能，另外就是能耐高温。

生物陶瓷

生物陶瓷是用于制造人体“骨骼一肌肉”系统，以修复或替换人体器官或组织的一种陶瓷材料。

精细陶瓷是新型材料特别值中得注意的一种，它有广阔的发展前途。这种具有优良性能的精细陶瓷，有可能在很大的范围内代替钢铁以及其他金属而得到广泛应用，达到节约能源、提高效率、降低成本的目的；精细陶瓷和高分子合成材料相结合．可以使交通运输工具轻量化、小型化和高效化。

精陶材料将成为名副其实的耐高温的高强度材料，从而可用作包括飞机发动机在内的各种热机材料、燃料电池发电部件材料、核聚变反应堆护壁材料、无公害的外燃式发动机材料等。精细陶瓷与高性能分子材料、新金属材料、复合材料并列为四大新材料。有些科学家预言．由于精细陶瓷的出现，人类将从钢铁时代重新进入陶瓷时代