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碳化硅陶瓷的燒結的方法有哪幾種?
本站 2022-04-01
1 、無壓燒結
1974 年美國 GE 公司通過在高純度 β - SiC 細粉中同時加入少量的 B 和 C ,采用無壓燒結工藝,于 2020℃成功地獲得高密度 SiC 陶瓷。目前,該工藝已成為制備 SiC 陶瓷的主要方法。美國 GE 公司研究者認為:晶界能與表面能之比小于 1.732 是致密化的熱力學條件,當同時添加 B 和 C 后, B 固溶到 SiC 中,使晶界能降低, C 把 SiC 粒子表面的 SiO2 還原除去,提高表面能,因此 B 和 C 的添加為 SiC 的致密化創造了熱力學方面的有利條件。然而,日本研究人員卻認為 SiC 的致密并不存在熱力學方面的限制。還有學者認為, SiC 的致密化機理可能是液相燒結,他們發現:在同時添加 B 和 C 的 β - SiC 燒結體中,有富 B 的液相存在于晶界處。關于無壓燒結機理,目前尚無定論。 以 α - SiC 為原料,同時添加 B 和 C ,也同樣可實現 SiC 的致密燒結。 研究表明:單獨使用 B 和 C 作添加劑,無助于 SiC 陶瓷充分致密。只有同時添加 B 和 C 時,才能實現 SiC 陶瓷的高密度化。為了 SiC 的致密燒結, SiC 粉料的比表面積應在 10m2 / g 以上,且氧含量盡可能低。 B 的添加量在 0.5 %左右, C 的添加量取決于 SiC 原料中氧含量高低,通常 C 的添加量與 SiC 粉料中的氧含量成正比。 最近,有研究者在亞微米 SiC 粉料中加入 Al2O3 和 Y2O3 ,在 1850℃~2000℃溫度下實現 SiC 的致密燒結。由于燒結溫度低而具有明顯細化的微觀結構,因而,其強度和韌性大大改善。
2 、熱壓燒結
50 年代中期,美國 Norton 公司就開始研究 B 、 Ni 、 Cr 、 Fe 、 Al 等金屬添加物對 SiC 熱壓燒結的影響。實驗表明: Al 和 Fe 是促進 SiC 熱壓致密化的最有效的添加劑。 有研究者以 Al2O3 為添加劑,通過熱壓燒結工藝,也實現了 SiC 的致密化,并認為其機理是液相燒結。此外,還有研究者分別以 B4C 、 B 或 B 與 C , Al2O3 和 C 、 Al2O3 和 Y2O3 、 Be 、 B4C 與 C 作添加劑,采用熱壓燒結,也都獲得了致密 SiC 陶瓷。 研究表明:燒結體的顯微結構以及力學、熱學等性能會因添加劑的種類不同而異。如:當采用 B 或 B 的化合物為添加劑,熱壓 SiC 的晶粒尺寸較小,但強度高。當選用 Be 作添加劑,熱壓 SiC 陶瓷具有較高的導熱系數。
3 、熱等靜壓燒結

近年來,為進一步提高 SiC 陶瓷的力學性能,研究人員進行了 SiC 陶瓷的熱等靜壓工藝的研究工作。研究人員以 B 和 C 為添加劑,采用熱等靜壓燒結工藝,在 1900℃便獲得高密度 SiC 燒結體。更進一步,通過該工藝,在 2000℃和 138MPa 壓力下,成功實現無添加劑 SiC 陶瓷的致密燒結。 研究表明:當 SiC 粉末的粒徑小于 0.6 μ m 時,即使不引入任何添加劑,通過熱等靜壓燒結,在 1950℃ 即可使其致密化。如選用比表面積為 24m2 / g 的 SiC 超細粉,采用熱等靜壓燒結工藝,在 1850℃便可獲得高致密度的無添加劑 SiC 陶瓷。 另外, Al2O3 是熱等靜壓燒結 SiC 陶瓷的有效添加劑。而 C 的添加對 SiC 陶瓷的熱等靜壓燒結致密化不起作用,過量的 C 甚至會抑制 SiC 陶瓷的燒結。
4 、反應燒結

SiC 的反應燒結法最早在美國研究成功。反應燒結的工藝過程為:先將 α - SiC 粉和石墨粉按比例混勻,經干壓、擠壓或注漿等方法制成多孔坯體。在高溫下與液態 Si 接觸,坯體中的 C 與滲入的 Si 反應,生成 β - SiC ,并與 α - SiC 相結合,過量的 Si 填充于氣孔,從而得到無孔致密的反應燒結體。反應燒結 SiC 通常含有 8 %的游離 Si 。因此,為保證滲 Si 的完全,素坯應具有足夠的孔隙度。一般通過 調整最初混合料中 α - SiC 和 C 的含量, α - SiC 的粒度級配, C 的形狀和粒度以及成型壓力等手段來獲得適當的素坯密度。

關鍵詞: 增碳劑 碳化硅 石墨增碳劑

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