В последние годы полупроводниковые соединения на основе карбида кремния получили широкое распространение в промышленности. Однако, будучи высокопроизводительным материалом, электронные приборы (диоды, силовые приборы) составляют лишь малую часть его применения. Карбид кремния также может использоваться в качестве абразивного, режущего, конструкционного, оптического материала, носителя катализаторов и т.д. Сегодня мы в основном рассмотрим керамику на основе карбида кремния, которая обладает такими преимуществами, как стабильность химических свойств, высокая термостойкость, износостойкость, коррозионная стойкость, высокая теплопроводность, низкий коэффициент теплового расширения, малая плотность и высокая механическая прочность. Она широко используется в химическом машиностроении, энергетике и охране окружающей среды, производстве полупроводников, металлургии, национальной оборонной и военной промышленности и других областях.

1.Структура и свойства карбида кремния

Карбид кремния (SiC) содержит кремний и углерод и является типичным полиморфным соединением. Он состоит в основном из двух кристаллических модификаций: α-SiC (устойчива к высоким температурам) и β-SiC (устойчива к низким температурам). Существует более 200 полиморфных модификаций, среди которых наиболее представительны 3C-SiC β-SiC, а также 2H-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC и 15R-SiC α-SiC.

При температурах ниже 1600 °C SiC существует в виде β-SiC, который может быть получен из простой смеси кремния и углерода при температуре около 1450 °C. Выше 1600 °C β-SiC медленно превращается в различные политипы α-SiC. 4H-SiC легко образуется при температурах около 2000 °C; для образования обоих политипов 6H и 15R требуются температуры выше 2100 °C. 6H-SiC остается очень стабильным даже при температурах, превышающих 2200 °C, что делает его широко используемым в промышленности. Чистый карбид кремния — бесцветный, прозрачный кристалл. Промышленный карбид кремния выпускается в цветах уменьшающейся прозрачности, включая бесцветный, бледно-желтый, светло-зеленый, темно-зеленый, светло-голубой, темно-синий и даже черный. В абразивной промышленности карбид кремния классифицируют по цвету: черный карбид кремния и зеленый карбид кремния. Карбид кремния от бесцветного до тёмно-зелёного цвета классифицируется как зелёный карбид кремния, а карбид кремния от светло-голубого до чёрного цвета – как чёрный карбид кремния. И чёрный, и зелёный карбид кремния представляют собой гексагональные кристаллы α-SiC. Для производства карбидкремниевой керамики обычно используют порошок зелёного карбида кремния в качестве сырья.

2. Процесс приготовления керамики из карбида кремния

Керамика из карбида кремния изготавливается путем дробления, измельчения и классификации исходного карбида кремния для получения частиц SiC с равномерным распределением размеров частиц. Затем частицы SiC смешиваются со спекающей добавкой и временным связующим, прессуются в сырую прессовку, а затем спекаются при высокой температуре. Однако из-за высокой ковалентности связей Си-C (~88%) и их низкого коэффициента диффузии одной из основных проблем в процессе приготовления является сложность достижения уплотнения во время спекания. Методы получения керамики из карбида кремния высокой плотности включают реакционное спекание, спекание без давления, спекание без давления, горячее прессование, рекристаллизационное спекание, горячее изостатическое прессование и спекание в искровой плазме. Однако керамика из карбида кремния имеет низкую вязкость разрушения, что приводит к большей хрупкости. Поэтому в последние годы появились композитные керамики на основе карбида кремния, такие как армированные волокнами (или нитевидными кристаллами), упрочняющие гетерогенные частицы дисперсией и функционально-градиентные материалы, позволяющие улучшить ударную вязкость и прочность отдельного материала.

3. Применение и перспективы развития керамики на основе карбида кремния 

Керамика из карбида кремния, являясь высокотемпературным конструкционным керамическим материалом с превосходными эксплуатационными характеристиками, все чаще используется в высокотемпературных печах, сталелитейной промышленности, нефтехимии, машиностроении, электронике, аэрокосмической промышленности, энергетике и защите окружающей среды, атомной энергетике, автомобилестроении и других областях. Мы считаем, что использование наиболее возможного метода для достижения наилучших результатов 

В будущем, по мере роста темпов проникновения новых видов транспорта на энергии в энергетику, промышленность, связь и другие сферы, а также по мере ужесточения требований к высокоточным, износостойким и высоконадежным механическим компонентам или электронным компонентам в различных областях, ожидается, что объем рынка изделий из карбидкремниевой керамики будет продолжать расширяться, среди которых важными направлениями развития являются новые виды транспорта на энергии и фотоэлектрические системы.