基本介紹
- 中文名：矽化石墨
- 外文名：siliconizedgraphite
矽化石墨概述,矽化石墨製法,化學氣相沉積(CVD))法,化學氣相反應法(CVR),液矽滲透法,矽化石墨的特性,高性能,高硬度,優異的耐腐蝕性,良好的高溫抗氧化性,優良的抗熱震性,矽化石墨套用領域,
矽化石墨概述
矽化石墨(siliconizedgraphite)是指在石墨材料表面塗覆碳化矽層而構成的一種複合材料。碳化矽層厚為1～1.5mm，碳化矽層和石墨基體結合緊密。
矽化石墨製法
矽化石墨的生產方法有化學氣相沉積法(CVD)，化學氣相反應法(CVR)及液矽滲透反應法等3種方法。
化學氣相沉積(CVD))法
使含矽、碳的氣體通過高溫石墨基體發生熱分解，生成SiC沉積在石墨基體表面。原料為三氯甲基矽烷(CH3SiC3)、四氯化矽、氫、矽蒸氣等。沉積溫度範圍較寬，從1175℃到1775℃。用此法生成的SiC層非常緻密，厚薄均勻，一般厚度約為0.1～0.3mm。但SiC與石墨基體的結合為純機械結合，結合力較弱，在溫度急變時SiC層易發生龜裂、剝落。
化學氣相反應法(CVR)
原料為焦炭粉和過量的石英砂或無定形矽粉，當加熱到2000℃時發生化學反應，生成SiO蒸氣。SiO蒸氣和碳基體反應生成SiC。SiC層和碳基體二者無明顯界面，結合很牢固，在溫度驟變及高負荷情況下不會脫落，但CVR法是SiO氣體滲入碳基體內進行反應，因此，仍然保留了碳基體的多孔性，在用作密封材料時，需用樹脂浸漬或CVD法進行孔隙的填充。
液矽滲透法
此法也屬於CVR的一種。在真空條件下，加熱到1700-1900℃，將碳基體直接浸入熔融的矽液中，液矽逐步滲入碳基體內部，發生反應生成SiC。原料為99.9999%的純矽。SiC層厚度可達3.5mm。反應後，碳基體內含有約17%的游離矽填充基體的孔隙中，使基體變得緻密不透。但游離矽的存在降低了矽化石墨的抗腐蝕性能和高溫抗氧化性能。
矽化石墨的特性
高性能
SiO2，C及SiC之間的反應自由能見表1。
SiO2，C及SiC之間的反應自由能
SiO2，C及SiC之間的反應自由能
SiO2，C及SiC之間的反應自由能碳和矽的反應隨溫度的變化見圖2。
碳和矽的反應隨溫度的變化
碳和矽的反應隨溫度的變化石墨基體材料的熱處理溫度(反映其石墨化程度)，熱膨脹係數，氣孔率和孔徑大小及分布對滲矽過程有很大的影響。為取得矽化石墨較好的性能，石墨基體材料的熱膨脹係數應儘量與SiC接近，最好採用各向同性石墨，開口氣孔率應為12%～15%，孔徑越小反應越均勻。上述幾種方法可根據需要結合進行，如先以CVR法處理，然後再用CVD法處理，這樣得到的矽化石墨不透氣、不含游離矽。矽化石墨兼有炭和碳化矽的特點，其典型性能見表2。
矽化石墨的典型性能
矽化石墨的典型性能高硬度
矽化石墨的硬度實為SiC的硬度，它僅次於金剛石、氮化硼、碳化硼，比碳化鎢、三氧化二鋁等的硬度高。
優異的耐腐蝕性
SiC是共價鍵結合的化合物，化學性能穩定，除強氧化性氣體及熔融鹼，幾乎不受其他酸鹼的侵蝕。
良好的高溫抗氧化性
SiC在高溫下和氧反應生成緻密的Si島玻璃相，阻止了氧和SiC接觸，防止碳化矽繼續氧化，因此，SiC可長期使用於1000℃以上。
優良的抗熱震性
矽化石墨加熱到1200℃保持10s，投入室溫的水中，反覆多次，完好如初，既不破裂，也不剝落。
矽化石墨套用領域
機械密封的密封端面是由安裝在軸上的旋轉動環和固定在機座上的靜環組成，它要求材料耐磨性好，摩擦係數低，耐腐蝕，導熱率高，抗震性能強，矽化石墨恰好能滿足這些要求。據測定，當PV值(密封壓力和轉速的乘積)達147MPa·m/s時，硬質合金鋼環即產生熱應力裂紋，而矽化石墨自我配對的密封環其Pv值可達687MPa·m/s而不損壞。此外還可用於禁止泵及大馬力柴油機水封等密封。矽化石墨可用作磷酸，磷胺及氫氟酸等泵的軸承。此外半導體工業中，作為矽外延生長的發熱片基體和夾具及製造人造關節、人造心臟瓣膜、人造齒根等。
