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碳化硅陶瓷的四種燒結
添加時間：2021-01-22
碳化硅陶瓷的燒結方法不同，這也使得它們的性能不同。簡要介紹了碳化硅陶瓷的幾種燒結方法。
1.熱壓燒結
20世紀50年代中期，美國諾頓公司開始研究硼、鎳、鉻、鐵、鋁等金屬添加劑對碳化硅熱壓燒結的影響。實驗表明，鋁和鐵是促進熱壓碳化硅致密化最有效的添加劑。
一些研究人員已經實現了以Al2O3為添加劑的熱壓燒結工藝對碳化硅的致密化，并認為其機理是液相燒結。此外，一些研究者分別使用B4C、b或b和c、Al2O3和c、Al2O3和Y2O3、Be、B4C和c作為添加劑，采用熱壓燒結獲得致密的SiC陶瓷。
結果表明，不同添加劑對燒結體的微觀結構、力學性能和熱性能都有影響。例如，當使用B或B化合物作為添加劑時，熱壓SiC的晶粒尺寸較小，但強度較高。當選用鈹作為添加劑時，熱壓碳化硅陶瓷具有較高的熱導率。
2.反應燒結
碳化硅陶瓷的反應燒結法在美國首次研究成功。反應燒結的工藝過程是：首先將-SiC粉末和石墨粉按比例混合均勻，然后通過干壓、擠壓或灌漿制成多孔生坯。當它在高溫下與液態硅接觸時，生坯中的碳與滲透的硅反應形成-碳化硅，-碳化硅與-碳化硅結合，多余的硅填充孔隙，從而獲得無孔致密的反應燒結體。反應燒結SiC通常含有8%的游離硅。所以為了保證Si的完全滲透，生坯要有足夠的孔隙率。通常，通過調整初始混合物中-碳化硅和碳的含量、-碳化硅的粒度分布、碳的形狀和粒度以及成型壓力，可以獲得合適的生坯密度。
實驗表明，無壓燒結、熱壓燒結、熱等靜壓燒結和反應燒結的碳化硅陶瓷具有不同的性能特點。比如燒結密度和抗彎強度方面，熱壓和熱等靜壓燒結的SiC陶瓷較多，反應燒結的SiC相對較低。另一方面，不同燒結添加劑對碳化硅陶瓷的力學性能有不同的影響。無壓燒結、熱壓燒結和反應燒結碳化硅陶瓷具有良好的耐強酸強堿性能，但反應燒結碳化硅陶瓷對氫氟酸等超強酸的耐腐蝕性較差。耐高溫方面，當溫度低于900時，幾乎所有SiC陶瓷的強度都有所提高；當溫度超過1400時，反應燒結碳化硅陶瓷的彎曲強度急劇下降。(這是因為燒結體含有一定量的游離Si，超過一定溫度時彎曲強度急劇下降。)對于無壓燒結和熱等靜壓燒結的SiC陶瓷，其耐高溫性能主要受添加劑種類的影響。3.無壓燒結
1974年，美國GE公司在高純 -SiC細粉中加入少量B和C，采用無壓燒結工藝，成功獲得了2020的高密度SiC陶瓷。目前，該工藝已成為制備SiC陶瓷的主要方法。據美國GE公司研究人員介紹，致密化的熱力學條件是晶界能與表面能之比小于1.732。當b和c同時加入時，b溶解到SiC中，降低晶界能，c降低SiC顆粒表面的二氧化硅，提高表面能。因此，b和c的加入為SiC的致密化創造了有利的熱力學條件。但日本研究者認為，SiC致密化沒有熱力學限制。其他學者認為碳化硅的致密化機制可能是液相燒結。他們發現，在同時添加硼和碳的-碳化硅燒結體中，晶界處存在富硼液相。無壓燒結的機理仍然沒有定論。
以-碳化硅陶瓷為原料，同時加入硼和碳，也可以實現碳化硅的致密燒結。
研究表明，單獨使用硼和碳作為添加劑不利于碳化硅陶瓷的充分致密化。只有同時加入b和c，才能提高SiC陶瓷的密度。碳化硅的致密燒結，碳化硅粉末的比表面積應大于10 m2/g，氧含量應盡可能低。b的加入量約為0.5%，c的加入量取決于SiC原料中的氧含量，一般與SiC粉末中的氧含量成正比。
近年來，一些研究人員在亞微米碳化硅粉末中加入Al2O3和Y2O3，實現了碳化硅在1850 ~ 2000的致密燒結。由于燒結溫度低，顯微組織明顯細化，強度和韌性大大提高。
4.熱等靜壓燒結
近年來，為了進一步提高碳化硅陶瓷的力學性能，研究人員對碳化硅陶瓷的熱等靜壓工藝進行了研究。研究人員以硼和碳為添加劑，采用熱等靜壓燒結工藝，在1900獲得高密度碳化硅燒結體。此外，通過該工藝，在2000和138兆帕下成功實現了無添加劑碳化硅陶瓷的致密燒結。
研究表明，當碳化硅粉末的粒度小于0.6微米時，可以在不添加任何添加劑的情況下，通過熱等靜壓燒結在1950下致密化。選擇比表面積為24 m2/g的碳化硅超細粉末，采用熱等靜壓燒結工藝，可在1850獲得高密度無添加劑碳化硅陶瓷。
此外，Al2O3是熱等靜壓燒結碳化硅陶瓷的有效添加劑。而C的加入對SiC陶瓷的熱等靜壓致密化沒有影響，過量的C甚至會抑制SiC陶瓷的燒結。
1.熱壓燒結
20世紀50年代中期，美國諾頓公司開始研究硼、鎳、鉻、鐵、鋁等金屬添加劑對碳化硅熱壓燒結的影響。實驗表明，鋁和鐵是促進熱壓碳化硅致密化最有效的添加劑。
一些研究人員已經實現了以Al2O3為添加劑的熱壓燒結工藝對碳化硅的致密化，并認為其機理是液相燒結。此外，一些研究者分別使用B4C、b或b和c、Al2O3和c、Al2O3和Y2O3、Be、B4C和c作為添加劑，采用熱壓燒結獲得致密的SiC陶瓷。
結果表明，不同添加劑對燒結體的微觀結構、力學性能和熱性能都有影響。例如，當使用B或B化合物作為添加劑時，熱壓SiC的晶粒尺寸較小，但強度較高。當選用鈹作為添加劑時，熱壓碳化硅陶瓷具有較高的熱導率。
2.反應燒結
碳化硅陶瓷的反應燒結法在美國首次研究成功。反應燒結的工藝過程是：首先將-SiC粉末和石墨粉按比例混合均勻，然后通過干壓、擠壓或灌漿制成多孔生坯。當它在高溫下與液態硅接觸時，生坯中的碳與滲透的硅反應形成-碳化硅，-碳化硅與-碳化硅結合，多余的硅填充孔隙，從而獲得無孔致密的反應燒結體。反應燒結SiC通常含有8%的游離硅。所以為了保證Si的完全滲透，生坯要有足夠的孔隙率。通常，通過調整初始混合物中-碳化硅和碳的含量、-碳化硅的粒度分布、碳的形狀和粒度以及成型壓力，可以獲得合適的生坯密度。
實驗表明，無壓燒結、熱壓燒結、熱等靜壓燒結和反應燒結的碳化硅陶瓷具有不同的性能特點。比如燒結密度和抗彎強度方面，熱壓和熱等靜壓燒結的SiC陶瓷較多，反應燒結的SiC相對較低。另一方面，不同燒結添加劑對碳化硅陶瓷的力學性能有不同的影響。無壓燒結、熱壓燒結和反應燒結碳化硅陶瓷具有良好的耐強酸強堿性能，但反應燒結碳化硅陶瓷對氫氟酸等超強酸的耐腐蝕性較差。耐高溫方面，當溫度低于900時，幾乎所有SiC陶瓷的強度都有所提高；當溫度超過1400時，反應燒結碳化硅陶瓷的彎曲強度急劇下降。(這是因為燒結體含有一定量的游離Si，超過一定溫度時彎曲強度急劇下降。)對于無壓燒結和熱等靜壓燒結的SiC陶瓷，其耐高溫性能主要受添加劑種類的影響。3.無壓燒結
1974年，美國GE公司在高純 -SiC細粉中加入少量B和C，采用無壓燒結工藝，成功獲得了2020的高密度SiC陶瓷。目前，該工藝已成為制備SiC陶瓷的主要方法。據美國GE公司研究人員介紹，致密化的熱力學條件是晶界能與表面能之比小于1.732。當b和c同時加入時，b溶解到SiC中，降低晶界能，c降低SiC顆粒表面的二氧化硅，提高表面能。因此，b和c的加入為SiC的致密化創造了有利的熱力學條件。但日本研究者認為，SiC致密化沒有熱力學限制。其他學者認為碳化硅的致密化機制可能是液相燒結。他們發現，在同時添加硼和碳的-碳化硅燒結體中，晶界處存在富硼液相。無壓燒結的機理仍然沒有定論。
以-碳化硅陶瓷為原料，同時加入硼和碳，也可以實現碳化硅的致密燒結。
研究表明，單獨使用硼和碳作為添加劑不利于碳化硅陶瓷的充分致密化。只有同時加入b和c，才能提高SiC陶瓷的密度。碳化硅的致密燒結，碳化硅粉末的比表面積應大于10 m2/g，氧含量應盡可能低。b的加入量約為0.5%，c的加入量取決于SiC原料中的氧含量，一般與SiC粉末中的氧含量成正比。
近年來，一些研究人員在亞微米碳化硅粉末中加入Al2O3和Y2O3，實現了碳化硅在1850 ~ 2000的致密燒結。由于燒結溫度低，顯微組織明顯細化，強度和韌性大大提高。
4.熱等靜壓燒結
近年來，為了進一步提高碳化硅陶瓷的力學性能，研究人員對碳化硅陶瓷的熱等靜壓工藝進行了研究。研究人員以硼和碳為添加劑，采用熱等靜壓燒結工藝，在1900獲得高密度碳化硅燒結體。此外，通過該工藝，在2000和138兆帕下成功實現了無添加劑碳化硅陶瓷的致密燒結。
研究表明，當碳化硅粉末的粒度小于0.6微米時，可以在不添加任何添加劑的情況下，通過熱等靜壓燒結在1950下致密化。選擇比表面積為24 m2/g的碳化硅超細粉末，采用熱等靜壓燒結工藝，可在1850獲得高密度無添加劑碳化硅陶瓷。
此外，Al2O3是熱等靜壓燒結碳化硅陶瓷的有效添加劑。而C的加入對SiC陶瓷的熱等靜壓致密化沒有影響，過量的C甚至會抑制SiC陶瓷的燒結。
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