碳化硅的制备与应用

目录

摘要 (1)

关键字 (1)

1碳化硅的合成与制备 (1)

2SiC陶瓷的主要应用领域 (3)

3结束语 (5)

参考书目 (5)

碳化硅陶瓷的制备与应用

摘要：碳化硅陶瓷材料由于抗氧化性强、耐磨性能好、硬度高、热稳定性好、高温强度大、热膨胀系数小、热导率大以及抗热震和耐化学腐蚀等优良特性，广泛的应用于各个领域。本文通过对碳化硅陶瓷材料的的发展历程，特性及国内外研究状况提出了几种碳化硅陶瓷的烧结方法，并讨论其发展趋势。

关键词：碳化硅；合成与制备；烧结；应用；

1、碳化硅陶瓷的合成与制备

SiC由于其共价键结合的特点，烧结时的扩散速率相当低，即使在的2100℃的高温，C和Si的自扩散系数也仅为1.5×10-10和2.5×10-13cm2/s所以，很难采取通常离子键结合材料所用的单纯化合物常压烧结途径来制取高致密化材料，必须采用一些特殊的工艺手段或依靠第二相物质促进其烧结。

SiC很难烧结。其晶界能与表面能之比很高,不易获得足够的能量形成晶界而烧结成块体。SiC烧结时的扩散速率很低,其表面的氧化膜也起扩散势垒作用。因此,碳化硅需要借助添加剂或压力等才能获得致密材料。本制件采用Al-B-C作为烧结助剂。硼(B)在SiC晶界的选择性偏析减小晶界能,提高烧结推动力,但过量的B会使SiC晶粒异常长大。添加C(碳)可以还原碳化硅表面对烧结起阻碍作用的SiO2膜,并使表面自由能提高。但过多的碳,使制品失重,密度下降。铝(Al)有抑制晶粒长大的作用,并有增强硼的烧结助剂作用,但过量的Al却会使制件的高温强度下降。因此,必须通过试验合理确定Al,B,C的用量。

目前制备SiC陶瓷的主要方法有无压烧结、热压烧结、热等静压烧结、反应烧结等。

1.1 碳化硅陶瓷的无压烧结

无压烧结被认为是SiC烧结最有前途的烧结方法，通过无压烧结工艺可以制备出复杂形状和大尺寸的SiC部件。根据烧结机理的不同，无压烧结又可分为固

的β-SiC可通过添加B和C进行常压烧结，这相烧结和液相烧结。对含有微量SiO

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种方法可明显改善SiC的烧结动力学。掺杂适量的B，烧结过程中B处于SiC晶界上，部分与SiC形成固溶体，从而降低了SiC的晶界能。掺杂适量的游离C对固相烧结

生成，加入的适量C有助于使SiC表有利，因为SiC表面通常会被氧化有少量SiO

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面上的SiO

膜还原除去，从而增加了表面能。然而#对液相烧结会产生不利影响，

2

因为C会与氧化物添加剂反应生成气体，在陶瓷烧结体内形成大量的开孔,影响致密化进程。SiC的烧结工艺中，原料的纯度、细度、相组成十分重要。S.Proehazka 通过在超细β-SiC粉体（含氧量小于2%）中同时加入适量B和C的方法，在2020℃下常压烧结成密度高于98%的SiC烧结体。但SiC-B-C系统属于固相烧结的范畴，需要的烧结温度较高，并且断裂韧性较低，断裂模式为典型的穿晶断裂，晶粒粗大且均匀性差。国外对SiC的研究焦点主要集中于液相烧结上，即以一定数量的

烧结助剂，在较低的温度下实现SiC致密化。SiC的液相烧结相对于固相烧结，不仅烧结温度有所降低，微观结构也改善了，因而烧结体的性能也较固相烧结体有所提高。

通过对SiC陶瓷显微结构的研究发现，断裂韧性好的SiC陶瓷晶粒粗大并且呈棒状结构。棒状晶粒在提高断裂韧性的同时，降低了SiC陶瓷的强度。为了在降低烧结温度的同时获得较好的强度和韧性，许多人通过不同的添加剂以调整玻璃相的组分，试图改善陶瓷的烧结性能。烧结过程中，由于晶界液相的引入和独特的界面结构导致了界面结构弱化，材料的断裂也变为完全的沿晶断裂模式，结果

使材料的强度和韧性显著提高。但考虑到采用Al

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添加剂，生成低熔点、高挥发

性的玻璃相，在较高的温度时将发生强烈挥发，引起材料的失重，对材料的致密

化产生不利的影响，所以要适当提高添加剂中Al

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3

的质量分数。

1.2 碳化硅陶瓷的热压烧结

SiC的共价键很强，致使烧结时的体积和晶界扩散速率相当低；SiC晶粒表面的SiO

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薄膜，同时也起到了扩散势垒的作用。因此不使用添加剂或高压力，将SiC 烧结到高的密度是相当困难的。Nadeau指出，不添加任何烧结助剂，纯SiC只有在极高的温度下才能烧结致密，于是不少人对SiC实行热压烧结工艺。关于添加烧结助剂对SiC进行热压烧结的报道已有许多。Alliegro等研究了B、Al、Ni、Fe、Cr等金属添加物对SiC致密化的影响，发现Al和Fe是促进SiC热压烧结最有效的添

加剂。nge研究了添加不同量Al

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对热压烧结SiC的性能影响，认为热压烧

结致密是靠溶解--再沉淀机理。为了进一步降低烧结温度，降低生产成本，世界各国投入大量的人力、物力、财力进行了深入的研究。热压烧结虽然能降低烧结温度，并且具有较高的烧结密度和抗弯强度。但是热压烧结工艺只能制备形状简单的SiC部件，而且一次热压烧结过程中所制备的产品数量很小，因此不利于工业化生产。

1.3 碳化硅陶瓷的热等静压烧结

传统的烧结工艺（无压烧结或热压烧结），如果不加入适当的添加剂，纯SiC 很难烧结致密。为了获得致密的SiC烧结体，必须采用亚微米级SiC细粉，并加入少量合适的烧结添加剂。但是添加剂的引入，SiC陶瓷的许多性能必定受到影响。为了克服传统烧结工艺存在的缺陷，Duna以B和C为添加剂，采用热等静压烧结工艺，在1900℃便获得了密度大于98%、室温抗弯强度高达600MPa左右的细晶SiC 陶瓷。尽管热等静压烧结可获得形状复杂的致密SiC制品，并且制品具有较好的力学性能，但是HIP烧结必须对素坯进行包封，所以很难实现工业化生产。

1.4 碳化硅陶瓷的其他烧结方法

要进行SiC陶瓷的低温烧结，还可采用反应烧结。反应烧结SiC又称自结合SiC，反应烧结虽可制得形状复杂的致密SiC陶瓷，并且具有良好的抗热震性，但