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立方碳化硅

立方碳化硅又名β-SiC,属立方晶系(金刚石晶型)。

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。

性质

物理常数

性质

物理常数

熔点,K

2973℃(分解)

蒸发活化能,KJ/mol

244.5

摩尔热,J/(mol.K)

24.7(276K)

生成热,KJ/mol

111.8

线膨胀系数(373K)

6.58×10^-6

线膨胀系数(1173K)

2.98×10^-6

热导,J/(cml.s.k)

0.063~0.096

燃烧热,KJ/mol

30.343

密度g/cm

3.216

硬度(Mohs)

9.25-9.6

晶体结构

立方体 (3 C)

(Vickers)

2.500-2.900

分解温度(℃)

2830±40

磁化率(H)

-12.8×10^-6

压缩系数

0.21×10^-6

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,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。

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。

7、其他应用

二、β-SiC系列产品:

β-SiC微粉是采用无线微热源法制备的,该微粉产品颗粒分布均匀、刃口尖锐锋利、具有良好的自锐性,制成研磨液/抛光液研磨速度快、加工精度高、表面质量好。尤其在磨不锈钢、铜、铝、铸铁、硅片等材质时,其研磨效果可与金刚石媲美,价格却不及金刚石的十分之一,具有很高的性价比。

①、β-SiC属立方晶系,其晶体的等轴结构特点决定了该粉体具有比α-SiC好的自然球度和自锐性,因而在精密研磨方面有更好的磨削和抛光效果,在材料、密封制品和军工制品生产时有更优异的密封特性,使其制品有更好的密度。

②、β-SiC制造时温度远低于α-SiC,因而其颗粒更容易细化和均化,而且可生产大量纳米~亚微米超细粒子,也易通过工艺控制制造无定形态β-SiC微粉,这些都使得β-SiC微粉比α-SiC粉体优异的多的烧结活性,可以在更低的温度下,更简便的工艺流程中和更便宜的烧结设施中实现各种制品材料的烧结和致密化。

③、β-SiC比α-SiC有更优异的电学性能和制备中的更高纯度,使其在电工电子材料领域的应用尤其半导体领域的应用更有独特之处。

④、β-SiC微粉和晶须作为增强材料可以大幅度提高聚合物材料,各种涂层材料、军工材料、航天航空材料等的力学性能、热学性能、耐磨蚀性能。

⑤、β-SiC微粉纯度高,粒度分布窄、孔隙小、烧结活性高、晶体结构规整;β-SiC晶须长径比大、表面光洁度高、直径率高。

案例:

W7的粒度分布和颗粒形貌图:

β-SiC研磨液、抛光液:

适用于不锈钢、铜、铝、铸铁、硅片、玻璃、陶瓷等材质的研磨抛光。



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