反应烧结碳化硅研究进展
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
关键词 反应烧结 碳化硅 性能
1 引言
碳化硅具有各种优异的性能, 如超硬耐磨、高 热导率和机械强度、低热膨胀系数、耐化学腐蚀、 高温稳定性( 直到 2500 e 的分解温度) 、有用的电 阻特性等。碳化硅是所有非氧化物陶瓷中抗氧化 性能最好的一种。
以上的性能使得碳化硅作为一种结构材料广 泛用于高温、高压、腐蚀、辐射、磨损等严酷条件下 的工业领域如机械密封件、高温热交换器、高温陶 瓷辐射燃烧器、高载荷长寿命窑具、航空发动机燃 烧室、核燃料冷却堆包覆材料以及高温气冷堆的 炉衬材料等, 碳化硅也是陶瓷发动机部件的候选 材料之一。
70 年代初, 美国通用电气公司用定向排列的 碳纤维代替坯体中的碳粉制得 Si/ SiC 复合材料, 商品名为/ Silicomp0。
这类材料仍由 Si 和 SiC 相组成, 但作为增强 相的次生 SiC 则保持了生坯中碳纤维的线状排布 特征[ 13] 。尽管这种定向排列的 SiC 并不是晶须, 但材料仍然显示了一定的各向异性及增韧效果。
用反应烧结工艺制备的反应结合碳化硅( Re2 act ion Bonded Silicon Carbide ) RBSC) , 秉承了碳化 硅陶瓷的所有优点包括强度高、硬度高、抗热震性 好、耐磨性和耐腐蚀性好、导热系数高、膨胀系数 低和优异的抗氧化性能, 且气孔率低( ~ 0. 5% ) , 是一种性能优良的高技术陶瓷材料。
文献[ 10] 、[ 11] 指出, 用耐火硅化物形成物如 Mo, 可以 制备几乎 不含游离 硅的 RBSC2MoSi2 材 料, 使其使用温度 大大超过材料的 制备温度( 约 1450 e ) , 甚至可能超过 1800 e 。
研究表明, Si2Mo 合金浸渗坯体对渗入过程动 力学几乎没有影响[ 12] 。
坯体孔隙率比 较大, 游离 硅的含量 比传统 RBSC
混料
偏高, 因此 SiSiC 强度也不高。
从根本上讲, 提高材料的烧结密度, 游离硅的
成型
含量自然就能够降低, 因此很多工作就是围绕这
烘干 气氛保护排焦
一方面展开的。 212 Hucke 工艺
Hucke 用高分子聚合 物通过裂解, 制备了全
高温渗硅
碳质多孔坯体, 再经高温渗硅制得了高性能的反 应烧结碳化硅[3] 。它以有机物为原料, 通过化学 反应制得坯体。
Hucke 法制备多孔生 坯的突出优点是: 可以 通过化学反应中浓度、组分、温度等条件, 比较精 确地控制碳质骨架的结构, 比用研磨、混合、粒度 级配等机械操作方法来制备骨架的普通的/ 砌筑0 法要均匀得多, 从而获得高性能的 RBSC 产品。
表 1 各种反应烧结技术产品比较
性能指标
密度 ( g/ cm3)
硅化石墨
21 70
渗硅碳化硅
21 90
RBSC* *
3. 05
传统 RBSC
3. 10
Βιβλιοθήκη Baidu
Hucke 工艺
3. 14
HIPSiC
3. 21
注: RBSC* * 为文献[5, 6] 所报道的工艺 1
室温抗折强度 ( MP a) 196 180 350 500 700 760
虽然 RBSC 具有许 多优异性能, 但本质上还 是一种脆性材料, 这限制了它在实际工程中的应 用范围。
/ Silicomp0材料中用碳纤维代替碳粉, 虽然生 成的碳化硅保留了碳纤维的原始形貌, 但是由于 这种假纤维形貌的碳化硅并不是真正的纤维, 因 此材料的韧性并不好。随着纤维增强陶瓷基复合
31
硅酸盐通报 2002 年第 1 期
弹性模量 ( GPa) 140 ) ) 420 400 450
膨胀系数 ( @10- 6 e - 1)
4. 4 ) 4. 5 4. 4 ) 4. 5
洛氏硬度 (HRA) 85 90 90. 5 92 92. 5 )
30
硅酸盐通报 2002 年第 1 期
综合评述
2. 3 RBSC 的后续热处理 采用补充热处理的方法可以减少 RBSC 中游
另据报道, 一种新型的反应烧结碳化硅材料 正在研究中[5, 6] 。与Hucke 法不同的是, 此种材料 以石油焦为原料, 而不是 C+ SiC, 制备全碳质坯 体, 经高温渗硅烧结而成。
这种工艺虽然难以象 Hucke 工艺那样能够精 确控制 坯体 结构, 性能 也 比 Hucke 工艺 制 备的 RBSC 的性能低, 但是由于采用了价格低廉的石油 焦为原料, 生产成本很低, 适合大规模工业化生 产, 因此是一种非常有希望的工艺。
G1G1Trantina 和 R1L1Mehan 发现这 种 Si/ SiC 复合材料高温下尤其是硅熔点附近的物理性能并 不随加载时间( 加载速度) 发生改变[14] ; 从 Si 熔点 到 1600 e 强度 不变, 但处于较低值, 不到常温强 度值的一半。
R1L1Mehan 等人报道了 SiC 的含量和方向对 这种复合材料性能的影响[15] , 认为, 随着 SiC 含 量的增加, 材料性能提高。以上几篇报道中均提 到渗硅后烧结体中都含有一定量未反应完全的残 余碳。这也是烧结体密度、强度偏低的一个原因。
这些研究结果表明, 用合金取代硅浸渗坯体 能够减少烧结体中游离硅的含量, 提高材料的使 用温度。但是, 关于合金浸渗坯体实际的反应过 程尚不清楚, 目前的技术还无法使游离硅完全转 化为高温相。而且该工艺要求事先将硅用耐高温
金属饱和以保证熔体进入坯体, 这样增加了工艺
的复杂性。 215 Silicomp 及其类似材料的研究
文献[ 16] 报道了树脂对碳毡硅化处理后的显 微组织与性能影响, 结果表明: 未浸渍树脂的碳毡 硅化处理后的显微组织特点是反应生成的碳化硅 颗粒细小且均匀分布在游离硅中, 而浸渍树脂的 碳毡硅化处理后的显微组织特点是反应生成的碳
化硅颗粒粒径及分布均不均匀。大颗粒碳化硅的 出现造成了试样断裂强度的降低。
反应烧结碳化硅的基本原理如下: 高温下硅 渗入含碳坯体, 并与碳反应生成碳化硅, 使坯体获 得烧结。反应烧结工艺的特点决定了其中一般含 有量 8% ~ 12% ( 质量分数) 左右的游离硅, 其余 为碳化硅。
反应烧结具有工艺简单, 烧结时间短, 烧结温
度和成本远低于热压和无压烧结碳化硅, 净尺寸 烧结( 烧结前后尺寸无变化) , 易制备大型复杂形 状制品等优点。
这种方法的优点在于: 可以使熔融硅沿着纤 维快速浸润与传递, 大大缩短浸渍时间, 保证熔融 硅进入复合材料芯部, 制备更大尺寸的制品; 还可 以通过局部调整纤维含量和取向, 设计各向异性 的复合材料。
这种制备工艺的缺点在于: 纤维的分散困难, 难以制备结构均匀的坯体, 进而使烧结体密度和 整体性能偏低。 216 纤维增强 Si/ SiC 基复合材料
用 Hucke 工艺制备的 Si/ SiC 复合材料, 最高 断裂强度高达 1GPa, 一般都在 600~ 700MPa[ 4] , 这 是目前所报道的性能最高的 RBSC 材料。
Hucke 法的缺点在于 原料价格昂贵: 坯体前 期制备工艺过程过于复杂; 有机物的制备及其热 解过程放出大量的有毒气体, 污染环境; 难以大规 模工业化。
结剂混合成型, 其中 A2SiC 粉含量大于 60% ( 质量 分数) , 经过成型、干燥、排焦, 最后渗硅而制得( 见 图 1) 。这是当前国内外制造 RBSC 绝大部分都采
作者简介: 武七德( 1950~ ) , 男, 副研究员.
29
硅酸盐通报 2002 年第 1 期
综合评述
SiC 粉+ C 粉
214 高温合金融渗 RBSC 用耐高温合金组成物如 Si2Mo 取代 Si 渗入坯
体, 溶解的 Mo 析出 MoSi2 同时消耗掉微量的游离 硅, 这样就可以减少游离硅的含量, 同时生成一种 耐高温化合物。
William B. Hillig 指出[9] , 用 Si2Mo 合金取代单 纯的 Si 浸渗 坯体, 有 可能消 除烧结 体中的 游离 硅, 尽管目前的研究尚未获得不含游离硅的 Sili2 comp 产品。
离硅的含量。它主要是利用高温下硅的蒸汽压比 较高, 使硅从 RBSC 烧结体中挥发。
现 有 研 究 表 明, RBSC 中 的 游 离 硅 经 过 1600 e 、1800 e 的真空热处理能够全部去除; 经过 1800 e 真空热处理的材料的强度均高于 1600 e 真 空热 处理材料的强度。主要原因是 1800 e 真空 热处理过程中碳化硅再结晶以及气孔形状发生变 化[7] 。
本文对有关这方面的研究进展作了综述, 包 括传统 RBSC、Silicomp、纤维增 强 Si/ SiC 复 合材 料、Hucke 工艺、RBSC 的后续热处理以及合金浸 渗 RBSC 等。
2 各种措施
211 传统反应烧结工艺 早在 50 年代 P1Popper 等人[1] 用反应烧结法
粘结粗碳化硅粉, 制备反应结合碳化硅获得成功。 其制备工艺如下: 将碳化硅粉、碳粉以有机粘
但是, 这种热处理造成烧结体多孔, 抗氧化性 能降低, 因此又发明了另外一种工艺, 即在游离硅 全部去除之后, 升高温度, 渗入耐高温化合物。结 果表明, 用 MoSi2 取 代 Si 使 RBSC 的 高温强度从 250MPa 提高到 500MPa[ 8] 。
随之而来的问题是, 高温合金化合物的熔点 比较高, 一般都在 2000 e 以上, Lim 在 2050 e 才获 得满意的渗入效果[ 8] , 这使得再次热处理温度提 高。于是出现了用合金浸渗坯体, 使之在低共熔 点的温度下反应生成耐高温的合金化合物的渗硅 工艺。
正是由于反应烧结碳化硅的各种优异性能及 该工艺的优 点, 使得 RBSC 成为一种最早实现大 规模工业应用的结构陶瓷, 具有及广阔的应用前 景。
但是游离硅的存在使得 RBSC 的使用温度一 般低于 1380 e , 脆性材料 的本质也 限制了 RBSC 的进一步应用。为了进一步提高 RBSC 的性能, 减少其中游离硅的含量, 提高 RBSC 的使用温度, 扩展其应用范围, 各国材料工作者都加入到了 RBSC 的研究行列中。
硅酸盐通报 2002 年第 1 期
综合评述
反应烧结碳化硅研究进展
武七德 洪小林 黄代勇
( 武汉理 工大学马房山校区西院材料学院, 武汉 430070)
摘 要 对有关反应结合碳化硅( RBSC) 材料的研究 进展作了 综述, 并 对存在的 问题和今 后可能
的发展方向提出了自己的见解, 包括: 进一步提高 性能; 降低游 离硅含 量, 提 高使用 温度; 提高材 料的可 靠性和稳定性; 低成本化。
后加工
图 1 传 统 RBSC 制备工艺
用的方法, 一般称之为传统 RBSC( 见图 1) 。 可以使用硅蒸汽浸渗坯体, 但是发现烧结体
多孔且强度不高[2] , 且要求比较高的烧结温度, 无 法获得完全的致密化, 于是后来改用液硅浸渗坯 体, 并获得成功, 烧结体气孔率几乎为零。
与传统 RBSC 相似的材 料有硅 化石墨 ( Sili2 conized Graphite ) ) ) S2G) , 它是一种前苏联科学家 发明的渗硅工艺, 以石墨为原料, 按照石墨的成型 工艺制备坯体, 经高温渗硅而得。最初的目的是 制备一种 C/ C 复合材料的抗氧化涂层。80 年代 俄罗斯科学家将石墨整体硅化获得成功, 但是由 于石墨分散 ) 成型过程中难以控制坯体结构, 材 料性能并不高。
综合评述
材料的研究与开发, 人们试图运用纤维来增强传 统 RBSC 复相陶瓷基体, 制备出强度、韧性优异的 RBSC 复合材料。
用 SiC 纤维部分取代 SiC 粉, 成坯后 SiC 纤维 具有一定排布形态, 烧结体就成为一种连续纤维 增强 RBSC 复相陶瓷材料。
为了防止在复合材料制备过程中 SiC 纤维与 高温熔融硅之间的化学反应, 使纤维与基体之间 产生弱界面结合, 增加断裂过程中纤维的脱粘、滑 移、裂纹偏转、裂纹桥接及纤维拔出等韧化机制, 通常在 SiC 纤维表面涂覆一层厚度约为 3Lm 的 C 和 SiC 层。
另一种类似的材料是渗硅碳化硅( SiSiC) , 它 以 SiC 为原料, 先经高温烧结成所谓/ 重结晶碳化 硅0, 然后再在高温下渗硅, 得到含有部分气孔和 游离硅的 SiC 材料, 也可以不经过高温重结晶烧 结, 而是将碳化硅成型为坯体后直接渗硅, 这样制 备的材料不含气孔。SiSiC 体中没有加入碳, 因此 烧结过程是一个纯粹的物理渗入过程, 没有新的 碳化硅颗粒生成。因为难于制备高密度的坯体,
1 引言
碳化硅具有各种优异的性能, 如超硬耐磨、高 热导率和机械强度、低热膨胀系数、耐化学腐蚀、 高温稳定性( 直到 2500 e 的分解温度) 、有用的电 阻特性等。碳化硅是所有非氧化物陶瓷中抗氧化 性能最好的一种。
以上的性能使得碳化硅作为一种结构材料广 泛用于高温、高压、腐蚀、辐射、磨损等严酷条件下 的工业领域如机械密封件、高温热交换器、高温陶 瓷辐射燃烧器、高载荷长寿命窑具、航空发动机燃 烧室、核燃料冷却堆包覆材料以及高温气冷堆的 炉衬材料等, 碳化硅也是陶瓷发动机部件的候选 材料之一。
70 年代初, 美国通用电气公司用定向排列的 碳纤维代替坯体中的碳粉制得 Si/ SiC 复合材料, 商品名为/ Silicomp0。
这类材料仍由 Si 和 SiC 相组成, 但作为增强 相的次生 SiC 则保持了生坯中碳纤维的线状排布 特征[ 13] 。尽管这种定向排列的 SiC 并不是晶须, 但材料仍然显示了一定的各向异性及增韧效果。
用反应烧结工艺制备的反应结合碳化硅( Re2 act ion Bonded Silicon Carbide ) RBSC) , 秉承了碳化 硅陶瓷的所有优点包括强度高、硬度高、抗热震性 好、耐磨性和耐腐蚀性好、导热系数高、膨胀系数 低和优异的抗氧化性能, 且气孔率低( ~ 0. 5% ) , 是一种性能优良的高技术陶瓷材料。
文献[ 10] 、[ 11] 指出, 用耐火硅化物形成物如 Mo, 可以 制备几乎 不含游离 硅的 RBSC2MoSi2 材 料, 使其使用温度 大大超过材料的 制备温度( 约 1450 e ) , 甚至可能超过 1800 e 。
研究表明, Si2Mo 合金浸渗坯体对渗入过程动 力学几乎没有影响[ 12] 。
坯体孔隙率比 较大, 游离 硅的含量 比传统 RBSC
混料
偏高, 因此 SiSiC 强度也不高。
从根本上讲, 提高材料的烧结密度, 游离硅的
成型
含量自然就能够降低, 因此很多工作就是围绕这
烘干 气氛保护排焦
一方面展开的。 212 Hucke 工艺
Hucke 用高分子聚合 物通过裂解, 制备了全
高温渗硅
碳质多孔坯体, 再经高温渗硅制得了高性能的反 应烧结碳化硅[3] 。它以有机物为原料, 通过化学 反应制得坯体。
Hucke 法制备多孔生 坯的突出优点是: 可以 通过化学反应中浓度、组分、温度等条件, 比较精 确地控制碳质骨架的结构, 比用研磨、混合、粒度 级配等机械操作方法来制备骨架的普通的/ 砌筑0 法要均匀得多, 从而获得高性能的 RBSC 产品。
表 1 各种反应烧结技术产品比较
性能指标
密度 ( g/ cm3)
硅化石墨
21 70
渗硅碳化硅
21 90
RBSC* *
3. 05
传统 RBSC
3. 10
Βιβλιοθήκη Baidu
Hucke 工艺
3. 14
HIPSiC
3. 21
注: RBSC* * 为文献[5, 6] 所报道的工艺 1
室温抗折强度 ( MP a) 196 180 350 500 700 760
虽然 RBSC 具有许 多优异性能, 但本质上还 是一种脆性材料, 这限制了它在实际工程中的应 用范围。
/ Silicomp0材料中用碳纤维代替碳粉, 虽然生 成的碳化硅保留了碳纤维的原始形貌, 但是由于 这种假纤维形貌的碳化硅并不是真正的纤维, 因 此材料的韧性并不好。随着纤维增强陶瓷基复合
31
硅酸盐通报 2002 年第 1 期
弹性模量 ( GPa) 140 ) ) 420 400 450
膨胀系数 ( @10- 6 e - 1)
4. 4 ) 4. 5 4. 4 ) 4. 5
洛氏硬度 (HRA) 85 90 90. 5 92 92. 5 )
30
硅酸盐通报 2002 年第 1 期
综合评述
2. 3 RBSC 的后续热处理 采用补充热处理的方法可以减少 RBSC 中游
另据报道, 一种新型的反应烧结碳化硅材料 正在研究中[5, 6] 。与Hucke 法不同的是, 此种材料 以石油焦为原料, 而不是 C+ SiC, 制备全碳质坯 体, 经高温渗硅烧结而成。
这种工艺虽然难以象 Hucke 工艺那样能够精 确控制 坯体 结构, 性能 也 比 Hucke 工艺 制 备的 RBSC 的性能低, 但是由于采用了价格低廉的石油 焦为原料, 生产成本很低, 适合大规模工业化生 产, 因此是一种非常有希望的工艺。
G1G1Trantina 和 R1L1Mehan 发现这 种 Si/ SiC 复合材料高温下尤其是硅熔点附近的物理性能并 不随加载时间( 加载速度) 发生改变[14] ; 从 Si 熔点 到 1600 e 强度 不变, 但处于较低值, 不到常温强 度值的一半。
R1L1Mehan 等人报道了 SiC 的含量和方向对 这种复合材料性能的影响[15] , 认为, 随着 SiC 含 量的增加, 材料性能提高。以上几篇报道中均提 到渗硅后烧结体中都含有一定量未反应完全的残 余碳。这也是烧结体密度、强度偏低的一个原因。
这些研究结果表明, 用合金取代硅浸渗坯体 能够减少烧结体中游离硅的含量, 提高材料的使 用温度。但是, 关于合金浸渗坯体实际的反应过 程尚不清楚, 目前的技术还无法使游离硅完全转 化为高温相。而且该工艺要求事先将硅用耐高温
金属饱和以保证熔体进入坯体, 这样增加了工艺
的复杂性。 215 Silicomp 及其类似材料的研究
文献[ 16] 报道了树脂对碳毡硅化处理后的显 微组织与性能影响, 结果表明: 未浸渍树脂的碳毡 硅化处理后的显微组织特点是反应生成的碳化硅 颗粒细小且均匀分布在游离硅中, 而浸渍树脂的 碳毡硅化处理后的显微组织特点是反应生成的碳
化硅颗粒粒径及分布均不均匀。大颗粒碳化硅的 出现造成了试样断裂强度的降低。
反应烧结碳化硅的基本原理如下: 高温下硅 渗入含碳坯体, 并与碳反应生成碳化硅, 使坯体获 得烧结。反应烧结工艺的特点决定了其中一般含 有量 8% ~ 12% ( 质量分数) 左右的游离硅, 其余 为碳化硅。
反应烧结具有工艺简单, 烧结时间短, 烧结温
度和成本远低于热压和无压烧结碳化硅, 净尺寸 烧结( 烧结前后尺寸无变化) , 易制备大型复杂形 状制品等优点。
这种方法的优点在于: 可以使熔融硅沿着纤 维快速浸润与传递, 大大缩短浸渍时间, 保证熔融 硅进入复合材料芯部, 制备更大尺寸的制品; 还可 以通过局部调整纤维含量和取向, 设计各向异性 的复合材料。
这种制备工艺的缺点在于: 纤维的分散困难, 难以制备结构均匀的坯体, 进而使烧结体密度和 整体性能偏低。 216 纤维增强 Si/ SiC 基复合材料
用 Hucke 工艺制备的 Si/ SiC 复合材料, 最高 断裂强度高达 1GPa, 一般都在 600~ 700MPa[ 4] , 这 是目前所报道的性能最高的 RBSC 材料。
Hucke 法的缺点在于 原料价格昂贵: 坯体前 期制备工艺过程过于复杂; 有机物的制备及其热 解过程放出大量的有毒气体, 污染环境; 难以大规 模工业化。
结剂混合成型, 其中 A2SiC 粉含量大于 60% ( 质量 分数) , 经过成型、干燥、排焦, 最后渗硅而制得( 见 图 1) 。这是当前国内外制造 RBSC 绝大部分都采
作者简介: 武七德( 1950~ ) , 男, 副研究员.
29
硅酸盐通报 2002 年第 1 期
综合评述
SiC 粉+ C 粉
214 高温合金融渗 RBSC 用耐高温合金组成物如 Si2Mo 取代 Si 渗入坯
体, 溶解的 Mo 析出 MoSi2 同时消耗掉微量的游离 硅, 这样就可以减少游离硅的含量, 同时生成一种 耐高温化合物。
William B. Hillig 指出[9] , 用 Si2Mo 合金取代单 纯的 Si 浸渗 坯体, 有 可能消 除烧结 体中的 游离 硅, 尽管目前的研究尚未获得不含游离硅的 Sili2 comp 产品。
离硅的含量。它主要是利用高温下硅的蒸汽压比 较高, 使硅从 RBSC 烧结体中挥发。
现 有 研 究 表 明, RBSC 中 的 游 离 硅 经 过 1600 e 、1800 e 的真空热处理能够全部去除; 经过 1800 e 真空热处理的材料的强度均高于 1600 e 真 空热 处理材料的强度。主要原因是 1800 e 真空 热处理过程中碳化硅再结晶以及气孔形状发生变 化[7] 。
本文对有关这方面的研究进展作了综述, 包 括传统 RBSC、Silicomp、纤维增 强 Si/ SiC 复 合材 料、Hucke 工艺、RBSC 的后续热处理以及合金浸 渗 RBSC 等。
2 各种措施
211 传统反应烧结工艺 早在 50 年代 P1Popper 等人[1] 用反应烧结法
粘结粗碳化硅粉, 制备反应结合碳化硅获得成功。 其制备工艺如下: 将碳化硅粉、碳粉以有机粘
但是, 这种热处理造成烧结体多孔, 抗氧化性 能降低, 因此又发明了另外一种工艺, 即在游离硅 全部去除之后, 升高温度, 渗入耐高温化合物。结 果表明, 用 MoSi2 取 代 Si 使 RBSC 的 高温强度从 250MPa 提高到 500MPa[ 8] 。
随之而来的问题是, 高温合金化合物的熔点 比较高, 一般都在 2000 e 以上, Lim 在 2050 e 才获 得满意的渗入效果[ 8] , 这使得再次热处理温度提 高。于是出现了用合金浸渗坯体, 使之在低共熔 点的温度下反应生成耐高温的合金化合物的渗硅 工艺。
正是由于反应烧结碳化硅的各种优异性能及 该工艺的优 点, 使得 RBSC 成为一种最早实现大 规模工业应用的结构陶瓷, 具有及广阔的应用前 景。
但是游离硅的存在使得 RBSC 的使用温度一 般低于 1380 e , 脆性材料 的本质也 限制了 RBSC 的进一步应用。为了进一步提高 RBSC 的性能, 减少其中游离硅的含量, 提高 RBSC 的使用温度, 扩展其应用范围, 各国材料工作者都加入到了 RBSC 的研究行列中。
硅酸盐通报 2002 年第 1 期
综合评述
反应烧结碳化硅研究进展
武七德 洪小林 黄代勇
( 武汉理 工大学马房山校区西院材料学院, 武汉 430070)
摘 要 对有关反应结合碳化硅( RBSC) 材料的研究 进展作了 综述, 并 对存在的 问题和今 后可能
的发展方向提出了自己的见解, 包括: 进一步提高 性能; 降低游 离硅含 量, 提 高使用 温度; 提高材 料的可 靠性和稳定性; 低成本化。
后加工
图 1 传 统 RBSC 制备工艺
用的方法, 一般称之为传统 RBSC( 见图 1) 。 可以使用硅蒸汽浸渗坯体, 但是发现烧结体
多孔且强度不高[2] , 且要求比较高的烧结温度, 无 法获得完全的致密化, 于是后来改用液硅浸渗坯 体, 并获得成功, 烧结体气孔率几乎为零。
与传统 RBSC 相似的材 料有硅 化石墨 ( Sili2 conized Graphite ) ) ) S2G) , 它是一种前苏联科学家 发明的渗硅工艺, 以石墨为原料, 按照石墨的成型 工艺制备坯体, 经高温渗硅而得。最初的目的是 制备一种 C/ C 复合材料的抗氧化涂层。80 年代 俄罗斯科学家将石墨整体硅化获得成功, 但是由 于石墨分散 ) 成型过程中难以控制坯体结构, 材 料性能并不高。
综合评述
材料的研究与开发, 人们试图运用纤维来增强传 统 RBSC 复相陶瓷基体, 制备出强度、韧性优异的 RBSC 复合材料。
用 SiC 纤维部分取代 SiC 粉, 成坯后 SiC 纤维 具有一定排布形态, 烧结体就成为一种连续纤维 增强 RBSC 复相陶瓷材料。
为了防止在复合材料制备过程中 SiC 纤维与 高温熔融硅之间的化学反应, 使纤维与基体之间 产生弱界面结合, 增加断裂过程中纤维的脱粘、滑 移、裂纹偏转、裂纹桥接及纤维拔出等韧化机制, 通常在 SiC 纤维表面涂覆一层厚度约为 3Lm 的 C 和 SiC 层。
另一种类似的材料是渗硅碳化硅( SiSiC) , 它 以 SiC 为原料, 先经高温烧结成所谓/ 重结晶碳化 硅0, 然后再在高温下渗硅, 得到含有部分气孔和 游离硅的 SiC 材料, 也可以不经过高温重结晶烧 结, 而是将碳化硅成型为坯体后直接渗硅, 这样制 备的材料不含气孔。SiSiC 体中没有加入碳, 因此 烧结过程是一个纯粹的物理渗入过程, 没有新的 碳化硅颗粒生成。因为难于制备高密度的坯体,