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碳化硅陶瓷材料具有高溫力學(xué)強度大、硬度高、抗氧化性能強、抗輻射性能好、耐磨性好、熱穩(wěn)定性佳、熱膨脹系數(shù)小、耐化學(xué)腐蝕性好等優(yōu)異特性，在工業(yè)機械、國防軍工、半導(dǎo)體、環(huán)保、核能等諸多領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。

碳化硅陶瓷制品

來源：山東金鴻

目前碳化硅陶瓷的制備技術(shù)主要有反應(yīng)燒結(jié)、常壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)、放電等離子燒結(jié)、振蕩壓力燒結(jié)。

1. 反應(yīng)燒結(jié)

反應(yīng)燒結(jié)碳化硅的工藝流程首先是將碳源和碳化硅粉進行混合，經(jīng)注漿成型，干壓或冷等靜壓成型制備出坯體，然后進行滲硅反應(yīng)，即在真空或惰性氣氛下將坯體加熱至1500℃以上，固態(tài)硅熔融成液態(tài)硅，通過毛細管作用滲入含氣孔的坯體。液態(tài)硅或硅蒸氣與坯體中C之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，原位生成的 β-SiC 與坯體中原有 SiC 顆粒結(jié)合，形成反應(yīng)燒結(jié)碳化硅陶瓷材料。

碳化硅坯體反應(yīng)燒結(jié)流程圖

來源：粉體網(wǎng)

反應(yīng)燒結(jié)碳化硅性能關(guān)鍵主要在于碳源的尺寸及種類、碳化硅原料的粒徑、坯體的孔隙率、燒結(jié)溫度及保溫時間等因素。反應(yīng)燒結(jié)碳化硅的優(yōu)勢是燒結(jié)溫度低、生產(chǎn)成本低、材料致密化程度較高，特別是反應(yīng)燒結(jié)過程中幾乎不產(chǎn)生體積收縮，特別適合大尺寸復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)件的制備，其典型應(yīng)用產(chǎn)品包括高溫窯具材料、輻射管、熱交換器、脫硫噴嘴等。

2. 常壓燒結(jié)

常壓燒結(jié)碳化硅是在不施加外部壓力的情況下，通過添加合適的燒結(jié)助劑，在 2000～2150℃ 溫度間，可對不同形狀和尺寸的樣品進行致密化燒結(jié)。

根據(jù)燒結(jié)助劑形態(tài)的不同，碳化硅常壓燒結(jié)可分固相燒結(jié)和液相燒結(jié)兩種工藝，其中:

固相燒結(jié)可采用B和C作為燒結(jié)助劑，其他燒結(jié)助劑還包括 B4C + C、BN + C、BP + C、AlB2 + C 等，固相燒結(jié)碳化硅能夠達到較高的致密度 3.10 ～ 3.15 g /cm3，且沒有晶間的玻璃相，擁有出色的高溫力學(xué)性能，其使用溫度可達到 1600℃。但是如果固相燒結(jié)碳化硅的燒結(jié)溫度過高則可能導(dǎo)致其晶粒過大而降低材料的抗彎強度。

液相燒結(jié)一般以一定數(shù)量的多元低共熔氧化物為燒結(jié)助劑，在較低溫度下實現(xiàn)了 SiC 的致密化。由于燒結(jié)溫度較低，其晶粒不易長大，呈細小均勻等軸狀，同時由于晶界液相的引入和獨特的界面結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了界面結(jié)合弱化，材料的斷裂也變?yōu)橥耆难鼐嗔涯Ｊ剑Y(jié)果使得材料的強度和韌性顯著提高。

常壓燒結(jié)碳化硅工藝技術(shù)已較為成熟，其優(yōu)勢在于可采用多種成型工藝，生產(chǎn)成本較低，對產(chǎn)品的形狀尺寸沒有限制，在適當(dāng)添加劑的作用下可以獲得較高的強度及韌性，其工業(yè)典型產(chǎn)品包括耐磨損耐腐蝕的密封環(huán)、滑動軸承等。

常壓燒結(jié)碳化硅產(chǎn)品

來源：CNKI

3. 熱壓燒結(jié)

熱壓燒結(jié)是將干燥的碳化硅粉料填充進高強石墨模具內(nèi)，在升溫的同時施加一個軸向壓力，在合適的壓力-溫度-時間工藝條件控制下，實現(xiàn)碳化硅的燒結(jié)成型。熱壓燒結(jié)由于加熱加壓同時進行，粉料處于熱塑性狀態(tài)，有助于顆粒的接觸擴散、流動傳質(zhì)過程的進行，能在較低的燒結(jié)溫度，較短的燒結(jié)時間，得到晶粒細小、相對密度高和力學(xué)性能良好的碳化硅陶瓷產(chǎn)品。但該工藝的缺陷主要在于設(shè)備及工藝復(fù)雜，模具材料要求高，只能制備簡單形狀的零件，生產(chǎn)效率較低，生產(chǎn)成本高，所以其產(chǎn)品應(yīng)用較少，主要適用于一些特殊要求的場合。

4. 熱等靜壓燒結(jié)

熱等靜壓燒結(jié)（HIP）是使材料（粉末、素坯或燒結(jié)體）在加熱過程中經(jīng)受各項均衡壓力，以惰性氣體氬氣或氮氣作為傳壓介質(zhì)，借助于高溫高壓的共同作用促進致密化的工藝。

熱等靜壓燒結(jié)技術(shù)可在較低的燒結(jié)溫度下，以及較短的時間內(nèi)制備出各項完全同性、微觀結(jié)構(gòu)均勻、晶粒較細且完全致密的材料；可制備形狀復(fù)雜的產(chǎn)品，特別是在制備納米材料時對粉體的要求不高，甚至團聚嚴重的粉體也可用于納米陶瓷的制備；能精確控制制品的最終尺寸，得到的制品只需要很少的精加工甚至無需加工就能使用。但 HIP 燒結(jié)的突出缺點是封裝技術(shù)壁壘高，設(shè)備的投資成本和運轉(zhuǎn)費用都較高，阻礙了該工藝的廣泛應(yīng)用。

5. 放電等離子燒結(jié)

放電等離子燒結(jié)(SPS)碳化硅是近十年發(fā)展起來的，首先將原料放置于石墨模具中，然后快速升溫并對坯體施加單軸加壓和直流脈沖電流，在短時間內(nèi)就可以完成燒結(jié)。

放電等離子燒結(jié)相較常規(guī)燒結(jié)技術(shù)制備高致密度碳化硅陶瓷，加熱速率更快，所需的燒結(jié)溫度更低，燒結(jié)時間更短，因此往往可以制備出納米碳化硅材料。

SPS 燒結(jié)裝置示意圖

來源：CNKI

6. 閃燒

閃燒是指在加熱爐中加熱時，通過在樣品上直接施加電壓。一旦達到一定的閾值溫度，電流的突然非線性增加快速產(chǎn)生焦耳熱，樣品可以在幾秒鐘內(nèi)迅速產(chǎn)生致密化，具有能耗低、燒結(jié)速度超快等優(yōu)點。

7. 振蕩壓力燒結(jié)

燒結(jié)過程中引入動態(tài)壓力有利于打破顆粒中的自鎖和團聚現(xiàn)象，減少氣孔、團聚等缺陷的數(shù)量和尺寸，從而獲得高致密度、細晶粒尺寸的均勻顯微結(jié)構(gòu)，制備出高強度高可靠性的結(jié)構(gòu)陶瓷材料。

振蕩壓力燒結(jié)技術(shù)的優(yōu)勢在于：可以通過連續(xù)振蕩壓力產(chǎn)生的顆粒重排顯著提高燒結(jié)前粉體的堆積密度；另振蕩壓力為粉體燒結(jié)提供了更大的燒結(jié)驅(qū)動力，更加有利于促進燒結(jié)體內(nèi)晶粒旋轉(zhuǎn)和滑移、塑性流動而加快坯體的致密化，尤其是燒結(jié)進入后期，通過調(diào)節(jié)振蕩壓力的頻率和大小，排除晶界處的殘余微小氣孔，進而完全消除材料內(nèi)部的殘余孔隙。

振蕩壓力燒結(jié)設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

來源：CNKI