碳化硅陶瓷的制备技术

有研究在2050℃和 SiC+1%B4C+ 3%C体 系热压保温45分钟工艺条件下，密度达到理论 致密度的98.75% 。由于热压工艺自身的缺点 而无法应用在商业化生产中，因此无压烧结成 了高性能碳化硅陶瓷工业化首选的制备方法。
3、碳化硅烧结反应工艺流程图
1、无压烧结
1974年美国GE公司通过在高纯度β －SiC细粉中同时加入少量的B和C，采 用无压烧结工艺，于2020℃成功地获得 高密度SiC陶瓷。目前，该工艺已成为制 备SiC陶瓷的主要方法。
以下是对四种烧结方法的一些概括：
实验表明，采用无压烧结、热压烧结、热 等静压烧结和反应烧结的SiC陶瓷具有各异的 性能特点。假如就烧结密度和抗弯强度来说， 热压烧结和热等静压烧结SiC陶瓷相对较高， 反应烧结SiC相对较低。另一方面，SiC陶瓷的 力学性能还随烧结添加剂的不同而不同。无压 烧结、热压烧结和反应烧结SiC陶瓷对强酸、 强碱具有良好的抵抗力，但反应烧结SiC陶瓷 对HF等超强酸的抗蚀性较差。就耐高温性能比 较来看，当温度低于900℃时，几乎所有SiC陶 瓷强度均有所提高；当温度超过1400℃时，反 应烧结SiC陶瓷抗弯强度急剧下降。（这是由 于烧结体中含有一定量的游离Si，当超过一定 温度抗弯强度急剧下降所致）对于无压烧结和 热等静压烧结的SiC陶瓷，其耐高温性能主要 受添加剂种类的影响
2、 SiC粉末的合成：
SiC在地球上几乎不存在，仅在陨石 中有所发现。因此，工业上应用的SiC粉 末都为人工合成。目前，合成SiC粉末的 主要方法有：
1、Acheson法： 这是工业上采用最多的
合成方法，即用电将石英砂和焦炭的混合物加 热至2500℃左右高温反应制得。因石英砂和焦 炭中通常含有Al和Fe等杂质，在制成的SiC中 都固溶有少量杂质。其中，杂质少的呈绿色， 杂质多的呈黑色。
下面主要介绍模压成型、等静压成型、注浆成型、 直接凝固注模成型、挤压成型和注射成型这几种主要 的陶瓷成型工艺的成型原理、基本工艺及特点。
5.1.1模压成型(Stamping Process)
碳化硅陶瓷的制备技术及应用
一、碳化硅的前沿 二、SiC粉末的合成 三、SiC的烧结方法 四、反应烧结碳化硅的成型工艺 五、碳化硅陶瓷的应用
பைடு நூலகம்
碳化硅陶瓷的制备技术及应用
1、前沿：
碳化硅陶瓷材料具有高温强度大， 高温抗氧化性 强、耐磨损性能好 ，热稳定性佳 ，热膨胀系数小， 热导率大， 硬度高 ，抗热震和耐化学腐蚀等优良特 性. 在汽车、机械化工、环境保护、 空间技术、 信 息电子 、能源等领域有着日益广泛的应用，已经成为 一种在很多工业领域性能优异的其他材料不可替代的 结构陶瓷。
粉料成型技术的目的是为了得到内部均匀和高密 度的坯体，提高成型技术是提高陶瓷产品可靠性的关 键步骤。成型是陶瓷生产过程的一个重要步骤。
成型过程就是将分散体系(粉料、塑性物料、浆料) 转变为具有一定几何形状和强度的块体，也称素坯。 成型的方法很多，且各有优缺点，主要可分为干法成 型和湿法成型，其中干法成型包括模压成型和等静压 成型，湿法成型包括注浆成型、流延成型、直接凝固 注模成型、挤出成型、注射成型等成型方法。
3、SiC的烧结
由于碳化硅陶瓷的高性能和在工业领域中 的广泛应用，SiC的烧结一直是材料界研究的 热点，如何采用较简单的生产工艺在较低的温 度下制备得到高致密度的碳化硅陶瓷制品也是 研究者一直关心的课题；但由于碳化硅是一种 共价性极强的共价键化合物，所以 SiC 很难烧 结，必须借助烧结助剂或外部压力才可能在 2000℃以下实现致密化。
4、反应烧结：
SiC的反应烧结法最早在美国研究成功。反
应烧结的工艺过程为：先将α－SiC粉和石墨粉 按比例混匀，经干压、挤压或注浆等方法制成 多孔坯体。在高温下与液态Si接触，坯体中的 C与渗入的Si反应，生成β－SiC，并与α－SiC 相结合，过量的Si填充于气孔，从而得到无孔 致密的反应烧结体。反应烧结SiC通常含有8％ 的游离Si。因此，为保证渗Si的完全，素坯应 具有足够的孔隙度。一般通过调整最初混合料 中α－SiC和C的含量，α－SiC的粒度级配，C的 形状和粒度以及成型压力等手段来获得适当的 素坯密度。
最近，有研究者在亚微米SiC粉料中加入 Al2O3和Y2O3，在1850℃～2000℃温度下 实现SiC的致密烧结。由于烧结温度低而 具有明显细化的微观结构，因而，其强 度和韧性大大改善。
2、热压烧结
50年代中期，美国Norton公司就开始 研究B、Ni、Cr、Fe、Al等金属添加物对 SiC热压烧结的影响。实验表明：Al和Fe 是促进SiC热压致密化的最有效的添加剂。 有研究者以Al2O3为添加剂，通过热压烧 结工艺，也实现了SiC的致密化，并认为 其机理是液相烧结。此外，还有研究者 分别以B4C、B或B与C，Al2O3和C、 Al2O3和Y2O3、Be、B4C与C作添加剂， 采用热压烧结，也都获得了致密SiC陶瓷。
2、化合法： 在一定的温度下，使高
纯的硅与碳黑直接发生反应。由此可合 成高纯度的β－SiC粉末。
3、热分解法：使聚碳硅烷或三氯甲基
硅等有机硅聚合物在1200～1500℃的温 度范围内发生分解反应，由此制得亚微 米级的β－SiC粉末。
4、气相反相法： 使SiCl4和SiH4等含
硅的气体以及CH4、C3H8、等含碳的气 体在高温下发生反应，由此制备纳米级 的β－SiC超细粉。
3、热等静压烧结：
近年来，为进一步提高SiC陶瓷的力 学性能，研究人员进行了SiC陶瓷的热等 静压工艺的研究工作。研究人员以B和C 为添加剂，采用热等静压烧结工艺，在 1900℃便获得高密度SiC烧结体。更进一 步，通过该工艺，在2000℃和138MPa压 力下，成功实现无添加剂SiC陶瓷的致密 烧结。 研究表明：当SiC粉末的粒径小 于0．6μm时，即使不引入任何添加剂， 通过热等静压烧结，在1950℃即可使其 致密化。