北方民族大学课程 设计报告 系〔部、中心〕 材料科学与工程学院 姓 名 学 号 专 业 同组人员 课程名称 设计题目名称 起止时间 成 绩 指导教师签名 北方民族大学教务处目录1 产品简介 11.1 碳化硅陶瓷的开展情况 11.1.1 碳化硅行业开展现状 11.2 SiC结晶形态和晶体结构 21.3 氮化硅陶瓷的用途 21.4 本方案的目的及意义 32 工艺概述 32.1 SiC原料的制备 32.1.1 原料配方 32.1.2 浆料的制备过程 42.1.3 喷雾造粒 42.2 碳化硅陶瓷的成型 42.2.1 钢模压制成型 42.3 碳化硅陶瓷的烧结 42.3.1 SiC陶瓷烧结特点 52.3.2 添加剂的作用 52.3.3 SiC的烧结方法 62.4 加工方法要求 102.4.1 砂轮的选择 102.4.2 磨削参数的选择 102.4.3 冷却液的选择及加工 113 生产技术要求 113.1 SiC粉体的制备技术要求 113.2 喷雾造粒的技术要求 113.3 坯料的成型技术要求 123.3.1 成型方法要求 123.3.2 干压成型工艺参数控制 133.4烧结技术要求 134 生产设备 144.1 生产设备的选择 144.2 设备详述 144.2.1 三维混料机 144.2.2 喷雾枯燥机 164.2.3 干压成形机 184.2.5 抛光机 204.2.6 HZ-Y150型精密卧轴矩台平面磨床 214.2.7 显微硬度计 225 SiC陶瓷性能检测及结果分析 245.1 SiC陶瓷原料 245.1.1 粉料性能检测 245.1.2 结果分析 245.1.3 SiC陶瓷环的性能 266 参考文献 287 小结 291 产品简介1.1 碳化硅陶瓷的开展情况1.1.1 碳化硅行业开展现状 中国是碳化硅〔SiC〕的生产大国和出口大国，2021年碳化硅总产量达53.5万吨左右，占全球总数的56.3%，居世界第一。
我们预计，2021年截止9月份仅绿碳化硅产量就将到达80万吨碳化硅行业产量大，但缺乏竞争力尽管产量足够供给，中国制造的碳化硅产品大局部是低端和初步加工，对于某些需求供给高附加值的成品和深加工产品存在很大的差距尤其是高性能工程陶瓷、用以高端的研磨粉等产品的供给还远远没有满足，核心技术大多仍由日本控制主要还是靠进口弥补国内市场的缺乏 随着传统矿物质能源日益枯竭，以太阳能电池为代表的光伏产业得到迅速开展据我国正在制定的?新兴能源产业开展规划?显示，到2021年可再生能源消费占一次能源消费中的比例要到达15%，光伏产业开展趋势总体呈现稳中有升碳化硅是光伏产业链上游环节——晶硅片生产过程中的专用材料，受光伏行业开展的带动，碳化硅行业通过产品结构升级和下游需求的扩展带来了一些时机尽管如此，由于碳化硅生产属于高耗能、高污染，受到能源短缺的阻碍和国家能源节约的政策影响，还有一些具体审查和批准新工程受到闲置，比方低电价优惠的有关政策已经被取消；目前国家严格控制新工程，原有6300KVA以下规模的碳化硅冶炼要求强制关停所以碳化硅行业的未来开展将面临很多不确定性1.1.2 碳化硅行业展望 碳化硅行业要解决开展中资源、环境等方面的压力，应该着眼于技术引领行业进步。
在碳化硅生产中，关注生产制造的绿色、低碳化依靠技术升级，提高生产规模，利用规模优势降低单位能耗；注重生产过程中如碳化硅回收、粉尘处理、水的循环再利用等，降低资源利用根据我们预测，预计2021年，市场对绿碳化硅块需求量将突破120万吨耐火材料和磨料磨具是碳化硅的传统低端应用领域，附加值低，碳化硅本身用途极为广泛，加强其新用途、新应用市场的开发，拓宽经营思路，是碳化硅行业今后健康开展的必由之路1.2 SiC结晶形态和晶体结构碳化硅是共价键非常强的化合无，其晶体结构的根本结构单元是SiC4和SiC4配位四面体，通过定向的强四面体SP键结合在一起，并有一定程度的极化Si的电负性1.8，C的电负性为2.6，由此可以确定Si-C键的离子键性仅占12%左右四面体共边形成平面层，并以定点与下一叠层四面体相连形成三维结构，由于四面体的堆积次序的不同，可以形成不同的结构，至今已发现几百种变体，常见的晶型有六方晶系的α－Si和立方晶系β－SiCα－Si有上百种变体，其中最主要的是4H、6H、15R、等4H、6H属于六方晶系，在2100℃和2100℃以上是稳定的；15R-SIC为菱面〔斜方六面〕晶系，在2000℃以上是稳定的。
H和R代表六方和斜方六面型)β－SiC只有一种，属立方晶系，密度为3.215g/cm3 β－SiC在2100℃以下是稳定的，高于2100℃时，β－SiC开始转变为α－Si，转变速率很慢，到2400℃转变速率迅速，这种转变在一般情况下是不可逆的，在2000℃以下合成的SIC主要是β－SiC，在2200℃以上合成的主要是α－Si，而且以6H为主1.3 氮化硅陶瓷的用途 表1-1 碳化硅陶瓷的主要用途工业领域使用领域主要用途性能特点石油高温液高压摩擦喷嘴、轴承、阀片、密闭件耐磨损抗腐蚀化学强酸强碱氧化高温密封件、轴承、泵套筒管道耐磨损、抗腐蚀宇航高温燃烧室部件、涡轮转子燃气机叶片、火箭喷嘴、火箭燃烧室内衬低摩擦、高强度、耐热冲击、高热稳定性耐腐蚀汽车油摩擦阀系列元件低摩擦、耐磨损钢铁高温空气燃烧嘴耐高温、耐腐蚀造纸纸浆废液纸浆密封件、轴承、套筒低摩擦、耐磨损耐腐蚀电子散热集成电路基板、封装材料高热导、高绝缘机械研磨滑动旋转内衬泵零件、喷砂嘴、轴承阀耐磨损、耐腐蚀、高硬度、低摩擦激光高温反射屏高刚度、高稳定性核能含硼高压水密闭件、轴套耐辐射加工成型过程拉丝模耐磨损、耐腐蚀硅酸盐高温电炉发热体高热稳定性冶金高温热交换器耐高温1.4 本方案的目的及意义 碳化硅陶瓷的耐化学腐蚀性好、强度高、硬度高，耐磨性能好、摩擦系数小，且高温力学性能(强度、抗蠕变性等)是陶瓷材料中最正确的。
热压烧结、无压烧结、热等静压烧结的碳化硅材料,其高温强度可一直维持到1600℃，是陶瓷材料中高温强度最好的材料因而是制造密封环的理想材料它与石墨材料组合配对时，其摩擦系数比氧化铝陶瓷和硬质合金小，因而可用于高PV值，特别是输送强酸、强碱的工况中使用本方案通过以下制备工艺，制备出满足以上要求的碳化硅陶瓷密封环2 工艺概述2.1 SiC原料的制备2.1.1 原料配方98%的亚微米α-SiC 粉，其平均粒径为0.6ｕm SiC粉：385.6g,酚醛树脂：24.03 g，HT树脂:38.57 g (用20ml水溶解)，油酸：4ml ，B4C:4.04g，聚胺脂球磨介：800.96g，乙醇：140ml，Darayn-c 1ml,蒸馏水240ml(PH>10)+20 ml2.1.2 浆料的制备过程 将按配比称好的亚微米级 SiC 粉、蒸馏水〔加240 ml， 留20ml溶解HT〕B4C、无水乙醇〔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树脂后再一起参加〕、聚胺脂球放入硬质塑料罐,然后分别将作为粘结剂、增塑剂和润滑剂的有机添加剂酚醛树脂、Darayn-c 油酸按比例参加后放到三维混料机初混2h。
2.1.3 喷雾造粒将初混好的料浆进行喷雾造粒，喷雾造粒时, 为了保持浆料的均匀性, 利用磁力搅拌器边搅拌边进料浆料通过低喷式压力喷嘴雾化, 按混流方式与热空气混合并被枯燥形成颗粒粉料枯燥过程中主要控制的工艺参数有浆料的固含量、 粘结剂的含量、 进出口温度、 压力及进料速率等喷雾造粒结束后，测量其流动性和松装密度2.2 碳化硅陶瓷的成型2.2.1 钢模压制成型称取上一步喷雾造粒好的SiC 粉体30g，并将其放入预先润滑过的瓷环金属模内,敲匀落实后，放在压机上受压,所加压力为16t,保压时间45s，使之密实成型,取出脱模此法最大优势在于易于实现自动化,所以在工业生产中得到较大的应用2.3 碳化硅陶瓷的烧结 先将压制好的碳化硅陶瓷片放在真空烧结炉中烧结，经过8 h的烧结，取出样品放置至室温2.3.1 SiC陶瓷烧结特点SiC是一种共价键很强的化合物，加上它的扩散系数很低〔即在2100℃，C和Si在α-Si单晶中扩散系数分别为DC =1.5×10-10 cm2/s,Dsi=2.5×10-13 cm2/s,在β－SiC多晶中自扩散系数分别为DC =1.0×10-10 cm2/s,Dsi=8.9×10-13 cm2/s,，β－SiC晶体晶面扩散系数为DC =1.0×10-5 cm2/s〕，所有很难烧结。
像其它共价结合化合物，没有专门添加剂的SiC是不能烧结的，这种行为源于相对弱的体积扩散由于强的单向键合以及气相迁移机理〔蒸发-在凝聚〕在相邻粒子间只形成颈部，不发生收缩〔Popper和Davies1962〕2.3.2 添加剂的作用〔1〕硼〔B〕和碳(C)的作用 通过晶界或体积扩散致密化的一个前提是用六方α型或立方β型的亚微米粉末烧结添加物量相对碳化硼要求较少，大致在0.2%-3.0wt%之间，Prochazaka指出，0.3 wt%B和 0.2wt%C同时参加到细的β-SIC粉末中，采用2040℃、在He气流中烧结可获得95%-99%理论密度，只用C参加那么没有收缩，除碳以外没有发现第二相导出的结论是：致密化发生是由于固态扩散，通常B取代C，但它也可以进入SI位置，一种可能的缺陷反响由Prochazka提出： B→BL1-+h0+Vc,si即B三价地进入亚晶格中，要求一电子来完成键对和分别在其它C或Si亚晶格中产生一中性空穴h0和一空位V，另一种反响并不要求形成一空位是：B+C→Bsi+Cc+ h0，此处B占有一硅位置产生一空穴，而C进入C位置 碳化硅的无压烧结可分成固相烧结和液相烧结两种。
固相烧结是美国科学家Prochazka于1974年首先创造的他在亚微米级得β－SiC中添加少量的B和C,实现了SIC无压烧结，制得接近理论密度95%的致密烧结体Prochazka认为，扩散烧结的难易与γG晶界能和γS外表能的比例大小有关，γG /γs<时，能促进烧结，SiC的晶界能和比外表能的比值γG /γs很高(>)时，很难烧结然而，在SiC中加B和B的化合物，B在晶界选择性偏析，局部B和SiC形成固溶体，降低了SIC的晶界外表能γG，使γG /γs减小，增大了烧结驱动力，促进了烧结由于SiC外表常有一薄层SiO2，在1700℃左右，SiO2融融分布在晶界处，使SiC颗粒之间接触时机减少，。