反应烧结碳化硅技术详解（RSSC）- 09 工硅化石墨

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9 硅化石墨

石墨是一种重要的工程材料，具有以下显着特性：

• 升华温度约为 3700°C，是已知耐火材料中的第二位（在真空或还原条件下）。因此，石墨是最广泛使用的坩埚材料之一，也是大多数高温真空/惰性气氛炉的标准耐火材料。

• 化学惰性，增强其作为耐火材料、坩埚或电极的实用性。

• 良好的导电性，使其成为最广泛使用的电极材料和加热元件材料之一。

• 天然润滑性。石墨粉是一种常用的固体润滑剂。固体石墨用于许多需要润滑的应用中，从电动机中的电刷到铅笔。石墨粉作为干粉或添加到液体载体中的粉末添加剂，是一种常见的润滑剂。

石墨有三个主要缺点：

• 氧化抗性差。在空气中，它在 500°C 氧化。

• 质地柔软，易磨损。

• 天然石墨是一种非常多孔的材料，通常孔隙率为 15% 或更多。

与石墨类似，SiC 也是一种高度耐氧化的陶瓷（在空气中可耐温高达 1750°C），化学惰性，具有良好的导电性和导热性。然而，与柔软、天然润滑的石墨不同，SiC 是一种极其坚硬的陶瓷，完全不具有润滑性。事实上，SiC 是一种工业磨料。

对于需要高氧化抗性或高耐磨性（或两者兼具）的石墨应用，可以通过将其加热在与 RSSC 相同类型的硅化炉中进行硅化处理来提高其性能。这通常是在预切割或加工的石墨部件上进行，放置在硅化炉中，并在 1800°C 到 2200°C 的温度范围内，在硅蒸汽的存在下进行处理。硅渗透到石墨的孔隙结构中，并在孔隙表面形成 SiC。

通常，这个过程不会完全完成，在孔隙表面之下仍然存在大量原生石墨相。

本质上是 RSSC 技术的简化形式，与 RSSC 工艺相比，产生的产品性能较差。硅化石墨不能用作装甲陶瓷。也不太可能与其他耐磨陶瓷竞争。然而，它比原生石墨具有更优异的氧化和耐磨性。

硅化石墨是一种三相材料，其微观结构中包含石墨、SiC 和游离硅。它具有以下特性：

• 高耐磨性。

• 耐氧化，耐温高达 1750°C。

• 比原生石墨大大降低了孔隙率。

RSSC 和硅化石墨本质上是通过不同方式获得的同一种材料的不同表现形式。然而，它们沿着从纯 SiC（理论上完全反应的 RSSC）到纯石墨（未硅化的石墨）的连续体相距甚远。RSSC 通常也是一种三相材料（约 75% SiC，约 25% Si，约 1% 游离碳），但其未反应碳含量非常低，理想情况下它是一种单相材料（所有 pSiC + sSiC，没有 Si 或 C）。

硅化石墨理想情况下也是纯 SiC，但实际上它包含大量未反应的石墨和游离硅。

典型的硅化石墨可能包含 75% SiC，10% Si 和 15% 石墨。

低等级 RSSC 陶瓷可能包含 75% SiC，25% Si 和 0.1% 游离碳。

高质量的 RSSC 陶瓷可能包含 92% SiC，8% Si 和 0.1% 游离碳。

RSSC 路线是生产纯 SiC 产品的唯一途径，尽管总会存在少量的游离硅和未反应碳。硅化石墨路线是一个更简单的过程，但产生的材料永远不会接近理想的 RSSC 结构。它更像是石墨和 RSSC 之间的中间产物。

最后，与 RSSC 一样，硅化也可以作为一种将石墨组件焊接在一起的方法，需要注意的是，焊接后的组件将不再是原生石墨，而是硅化石墨。

硅化热解碳产品也存在，例如硅化热解木材，但这更多属于科学探索范畴，而非技术产品。

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