硅化石墨

硅化石墨(siliconizedgraphite)是指在石墨材料表面涂覆碳化硅層而構(gòu)成的一種復(fù)合材料。碳化硅層厚為1～1.5mm，碳化硅層和石墨基體結(jié)合緊密。

硅化石墨的生產(chǎn)方法有化學(xué)氣相沉積法(CVD)，化學(xué)氣相反應(yīng)法(CVR)及液硅滲透反應(yīng)法等3種方法。

硅化石墨化學(xué)氣相沉積(CVD))法

使含硅、碳的氣體通過高溫石墨基體發(fā)生熱分解，生成SiC沉積在石墨基體表面。原料為三氯甲基硅烷(CH3SiC3)、四氯化硅、氫、硅蒸氣等。沉積溫度范圍較寬，從1175℃到1775℃。用此法生成的SiC層非常致密，厚薄均勻，一般厚度約為0.1～0.3mm。但SiC與石墨基體的結(jié)合為純機(jī)械結(jié)合，結(jié)合力較弱，在溫度急變時(shí)SiC層易發(fā)生龜裂、剝落。

硅化石墨化學(xué)氣相反應(yīng)法(CVR)

原料為焦炭粉和過量的石英砂或無定形硅粉，當(dāng)加熱到2000℃時(shí)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成SiO蒸氣。SiO蒸氣和碳基體反應(yīng)生成SiC。SiC層和碳基體二者無明顯界面，結(jié)合很牢固，在溫度驟變及高負(fù)荷情況下不會(huì)脫落，但CVR法是SiO氣體滲入碳基體內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)，因此，仍然保留了碳基體的多孔性，在用作密封材料時(shí)，需用樹脂浸漬或CVD法進(jìn)行孔隙的填充。

硅化石墨液硅滲透法

此法也屬于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硅液中，液硅逐步滲入碳基體內(nèi)部，發(fā)生反應(yīng)生成SiC。原料為99.9999%的純硅。SiC層厚度可達(dá)3.5mm。反應(yīng)后，碳基體內(nèi)含有約17%的游離硅填充基體的孔隙中，使基體變得致密不透。但游離硅的存在降低了硅化石墨的抗腐蝕性能和高溫抗氧化性能。

機(jī)械密封的密封端面是由安裝在軸上的旋轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)和固定在機(jī)座上的靜環(huán)組成，它要求材料耐磨性好，摩擦系數(shù)低，耐腐蝕，導(dǎo)熱率高，抗震性能強(qiáng)，硅化石墨恰好能滿足這些要求。據(jù)測定，當(dāng)PV值(密封壓力和轉(zhuǎn)速的乘積)達(dá)147MPa·m/s時(shí)，硬質(zhì)合金鋼環(huán)即產(chǎn)生熱應(yīng)力裂紋，而硅化石墨自我配對(duì)的密封環(huán)其Pv值可達(dá)687MPa·m/s而不損壞。此外還可用于屏蔽泵及大馬力柴油機(jī)水封等密封。硅化石墨可用作磷酸，磷胺及氫氟酸等泵的軸承。此外半導(dǎo)體工業(yè)中，作為硅外延生長的發(fā)熱片基體和夾具及制造人造關(guān)節(jié)、人造心臟瓣膜、人造齒根等。2100433B

硅化石墨高性能

SiO2，C及SiC之間的反應(yīng)自由能見表1。

SiO2，C及SiC之間的反應(yīng)自由能

碳和硅的反應(yīng)隨溫度的變化見圖2。

碳和硅的反應(yīng)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)，熱膨脹系數(shù)，氣孔率和孔徑大小及分布對(duì)滲硅過程有很大的影響。為取得硅化石墨較好的性能，石墨基體材料的熱膨脹系數(shù)應(yīng)盡量與SiC接近，最好采用各向同性石墨，開口氣孔率應(yīng)為12%～15%，孔徑越小反應(yīng)越均勻。上述幾種方法可根據(jù)需要結(jié)合進(jìn)行，如先以CVR法處理，然后再用CVD法處理，這樣得到的硅化石墨不透氣、不含游離硅。硅化石墨兼有炭和碳化硅的特點(diǎn)，其典型性能見表2。

硅化石墨的典型性能

硅化石墨高硬度

硅化石墨的硬度實(shí)為SiC的硬度，它僅次于金剛石、氮化硼、碳化硼，比碳化鎢、三氧化二鋁等的硬度高。

硅化石墨優(yōu)異的耐腐蝕性

SiC是共價(jià)鍵結(jié)合的化合物，化學(xué)性能穩(wěn)定，除強(qiáng)氧化性氣體及熔融堿，幾乎不受其他酸堿的侵蝕。

硅化石墨良好的高溫抗氧化性

SiC在高溫下和氧反應(yīng)生成致密的Si島玻璃相，阻止了氧和SiC接觸，防止碳化硅繼續(xù)氧化，因此，SiC可長期使用于1000℃以上。

硅化石墨優(yōu)良的抗熱震性

硅化石墨加熱到1200℃保持10s，投入室溫的水中，反復(fù)多次，完好如初，既不破裂，也不剝落。