中國(guó)粉體網(wǎng)訊  SiC陶瓷具有高硬度、高強(qiáng)度、耐高溫、耐腐蝕等特性，廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、集成電路等領(lǐng)域，由于大部分碳化硅制品都屬于高附加值產(chǎn)品，市場(chǎng)前景廣闊，因此受到很多國(guó)家的重視，一直是材料學(xué)界研究的重點(diǎn)。

碳化硅陶瓷，來源：山田集團(tuán)

SiC陶瓷超高的合成高溫和難以燒結(jié)致密的特性限制了它的發(fā)展，燒結(jié)工藝對(duì)于SiC陶瓷而言是很重要的。

燒結(jié)工藝：反應(yīng)燒結(jié)VS無(wú)壓燒結(jié)

SiC為強(qiáng)共價(jià)鍵化合物，這個(gè)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)賦予了材料高硬度、高強(qiáng)度、高熔點(diǎn)和耐腐蝕等性能的同時(shí)，使材料在燒結(jié)時(shí)擴(kuò)散速率較低，影響材料的燒結(jié)致密化，因此必須借助燒結(jié)添加劑、外部壓力等方法才能實(shí)現(xiàn)致密化。目前，碳化硅反應(yīng)燒結(jié)及無(wú)壓燒結(jié)的研究及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用獲得了較大發(fā)展。

反應(yīng)燒結(jié)碳化硅工藝是一種近凈尺寸燒結(jié)工藝，在燒結(jié)過程中幾乎沒有收縮及尺寸變化，具有燒結(jié)溫度低、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)致密、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，適合制備大尺寸復(fù)雜形狀碳化硅陶瓷制品。但不足之處是坯體前期制備工藝過于復(fù)雜，以及所產(chǎn)出的副產(chǎn)物存在污染等；另外，反應(yīng)燒結(jié)SiC陶瓷材料的使用溫度范圍受到材料中的游離Si含量所影響，當(dāng)溫度在1400°C以上，該材料的強(qiáng)度會(huì)隨著游離Si的熔化而迅速下降。

反應(yīng)燒結(jié)碳化硅產(chǎn)品：(a)換熱器；(b)窯爐輻棒；(c)螺旋噴嘴

SiC的無(wú)壓燒結(jié)技術(shù)已經(jīng)非常成熟，其優(yōu)勢(shì)在于可以采用多種成型工藝，突破產(chǎn)品形狀和尺寸的限制，在適當(dāng)添加劑的作用下可以獲得較高的強(qiáng)度及韌性。此外，SiC的無(wú)壓燒結(jié)操作簡(jiǎn)單，適用于不同形狀的陶瓷零部件的批量化生產(chǎn)。但不足之處在于無(wú)壓燒結(jié)碳化硅粉體比反應(yīng)燒結(jié)碳化硅更貴，制造成本要更高。

無(wú)壓燒結(jié)碳化硅產(chǎn)品：(a)陶瓷密封件；(b)陶瓷軸承；(c)防彈板

無(wú)壓燒結(jié)工藝主要分為固相燒結(jié)和液相燒結(jié)兩種，反應(yīng)燒結(jié)碳化硅陶瓷相對(duì)于無(wú)壓固相燒結(jié)碳化硅耐高溫性能差,特別是溫度超過1400℃時(shí)碳化硅陶瓷的抗彎強(qiáng)度急劇下降,并且其不耐強(qiáng)酸強(qiáng)堿。而采用無(wú)壓固相燒結(jié)的碳化硅陶瓷，其在高溫下的機(jī)械性和在強(qiáng)酸強(qiáng)堿下的耐腐蝕性遠(yuǎn)好于反應(yīng)燒結(jié)碳化硅。

無(wú)壓燒結(jié)工藝研究

1、固相燒結(jié)

固相燒結(jié)SiC陶瓷的溫度較高，但其物化性能穩(wěn)定，尤其是在高溫下強(qiáng)度不會(huì)發(fā)生改變，具有特殊的應(yīng)用價(jià)值。

在SiC中加入B和C后，B處于SiC晶界上，部分B取代SiC中的C形成固溶體，C則與SiC表面的SiO₂以及雜質(zhì)Si反應(yīng)，以上反應(yīng)使SiC的晶界能減少、表面能增加，從而得到燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力的增加，促進(jìn)燒結(jié)致密化。20世紀(jì)90年代以后，采用B和C作為添加劑制備無(wú)壓燒結(jié)SiC的方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用到各工業(yè)領(lǐng)域。

優(yōu)點(diǎn)：除了少量殘留C外，不存在第二相或晶界無(wú)玻璃相，晶界潔凈，高溫性能良好，可以使用到1600℃而性能基本不變。

缺點(diǎn)：不能達(dá)到完全致密，通常在晶粒的三角晶界處存在少量閉口氣孔，而且高溫時(shí)易導(dǎo)致晶粒長(zhǎng)大。

2、液相燒結(jié)

液相燒結(jié)中燒結(jié)助劑的添加量通常在百分之幾，并且在燒結(jié)完成后的晶間相中仍然會(huì)殘留較多的氧化物。因此，液相燒結(jié)碳化硅的斷裂方式通常是沿晶斷裂，具有較高的強(qiáng)度和斷裂韌性。同時(shí)，相對(duì)于固相燒結(jié)，其燒結(jié)過程中形成的液相有效降低了燒結(jié)溫度。

Al₂O₃-Y₂O₃體系是最早開始研究也是被認(rèn)為是最有吸引力的SiC陶瓷液相燒結(jié)添加劑體系。該體系可以在較低溫度下實(shí)現(xiàn)SiC陶瓷的致密化燒結(jié)。

（1）利用含有Al₂O₃，Y₂O₃和MgO的粉床進(jìn)行了樣品的埋燒。通過觀察發(fā)現(xiàn)MgO與SiC顆粒的表面SiO₂反應(yīng)形成液相，通過顆粒重排和熔液再沉積過程促進(jìn)了燒結(jié)致密化。

（2）Al₂O₃，Y₂O₃和CaO作為添加劑對(duì)SiC陶瓷進(jìn)行無(wú)壓燒結(jié)，不同CaO含量的SiC材料中均有Al₅Y₃O₁₂相形成，隨著CaO含量的不斷增加，材料中形成了CaY₂O₄氧化物相，CaY₂O₄和Al₅Y₃O₁₂的液相在晶界中形成了快速滲透路徑，改善了材料的燒結(jié)性。

小結(jié)

添加劑可以提高無(wú)壓燒結(jié)SiC陶瓷的致密程度、降低燒結(jié)溫度、改變材料的微觀結(jié)構(gòu)、改善材料的機(jī)械性能。隨著對(duì)添加劑體系研究的不斷深入，添加劑已經(jīng)從原先的單一組分向多組分體系發(fā)展。在多元添加劑體系中，每種組分都有其獨(dú)特的作用來提升SiC陶瓷的性能；添加劑的引入也有一些不容忽視的弊端。添加劑與SiC之間的反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生諸如Al₂O或CO等氣相，導(dǎo)致材料孔隙率上升。如何降低SiC陶瓷的孔隙率及消除添加劑對(duì)材料失重的影響是今后液相燒結(jié)SiC陶瓷技術(shù)的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容之一。

參考來源

王琨等：無(wú)壓燒結(jié)SiC陶瓷研究進(jìn)展

李辰冉等：碳化硅陶瓷材料燒結(jié)技術(shù)的研究與應(yīng)用進(jìn)展

段春雷等：無(wú)壓燒結(jié)碳化硅工藝及應(yīng)用探索

戴培赟等：碳化硅致密陶瓷材料研究進(jìn)展

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/空青）

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