1、無壓燒結(jié)

 

1974年美國GE公司通過在高純度β－SiC細(xì)粉中同時(shí)加入少量的B和C，采用無壓燒結(jié)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(rèn)為：晶界能與表面能之比小于1．732是致密化的熱力學(xué)條件，當(dāng)同時(shí)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(chuàng)造了熱力學(xué)方面的有利條件。然而，***研究人員卻認(rèn)為SiC的致密并不存在熱力學(xué)方面的***。還有學(xué)者認(rèn)為，SiC的致密化機(jī)理可能是液相燒結(jié)，他們發(fā)現(xiàn)：在同時(shí)添加B和C的β－SiC燒結(jié)體中，有富B的液相存在于晶界處。關(guān)于無壓燒結(jié)機(jī)理，目前尚無定論。

 

以α－SiC為原料，同時(shí)添加B和C，也同樣可實(shí)現(xiàn)SiC的致密燒結(jié)。

 

研究表明：單獨(dú)使用B和C作添加劑，無助于SiC陶瓷充分致密。只有同時(shí)添加B和C時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)SiC陶瓷的高密度化。為了SiC的致密燒結(jié)，SiC粉料的比表面積應(yīng)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(shí)現(xiàn)SiC的致密燒結(jié)。由于燒結(jié)溫度低而具有明顯細(xì)化的微觀結(jié)構(gòu)，因而，其強(qiáng)度和韌性大大改善。

 

2、熱壓燒結(jié)

 

 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(duì)SiC熱壓燒結(jié)的影響。實(shí)驗(yàn)表明：Al和Fe是促進(jìn)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(jié)工藝，也實(shí)現(xiàn)了SiC的致密化，并認(rèn)為其機(jī)理是液相燒結(jié)。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(jié)，也都獲得了致密SiC陶瓷。

 

研究表明：燒結(jié)體的顯微結(jié)構(gòu)以及力學(xué)、熱學(xué)等性能會(huì)因添加劑的種類不同而異。如：當(dāng)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(qiáng)度高。當(dāng)選用Be作添加劑，熱壓SiC陶瓷具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)。

 

3、熱等靜壓燒結(jié)

 

近年來，為進(jìn)一步提高SiC陶瓷的力學(xué)性能，研究人員進(jìn)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(jié)工藝，在1900℃便獲得高密度SiC燒結(jié)體。更進(jìn)一步，通過該工藝，在2000℃和138MPa壓力下，成功實(shí)現(xiàn)無添加劑SiC陶瓷的致密燒結(jié)。

 

研究表明：當(dāng)SiC粉末的粒徑小于0．6μm時(shí)，即使不引入任何添加劑，通過熱等靜壓燒結(jié)，在1950℃即可使其致密化。如選用比表面積為24m2／g的SiC超細(xì)粉，采用熱等靜壓燒結(jié)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(jié)SiC陶瓷的有效添加劑。而C的添加對(duì)SiC陶瓷的熱等靜壓燒結(jié)致密化不起作用，過量的C甚***會(huì)抑制SiC陶瓷的燒結(jié)。

 

4、反應(yīng)燒結(jié)：

 

 SiC的反應(yīng)燒結(jié)法最早在美國研究成功。反應(yīng)燒結(jié)的工藝過程為：先將α－SiC粉和石墨粉按比例混勻，經(jīng)干壓、擠壓或注漿等方法制成多孔坯體。在高溫下與液態(tài)Si接觸，坯體中的C與滲入的Si反應(yīng)，生成β－SiC，并與α－SiC相結(jié)合，過量的Si填充于氣孔，從而得到無孔致密的反應(yīng)燒結(jié)體。反應(yīng)燒結(jié)SiC通常含有8％的游離Si。因此，為保證滲Si的完全，素坯應(yīng)具有足夠的孔隙度。一般通過調(diào)整最初混合料中α－SiC和C的含量，α－SiC的粒度級(jí)配，C的形狀和粒度以及成型壓力等手段來獲得適當(dāng)?shù)乃嘏髅芏取?/p>

 

實(shí)驗(yàn)表明，采用無壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)和反應(yīng)燒結(jié)的SiC陶瓷具有各異的性能特點(diǎn)。如就燒結(jié)密度和抗彎強(qiáng)度來說，熱壓燒結(jié)和熱等靜壓燒結(jié)SiC陶瓷相對(duì)較多，反應(yīng)燒結(jié)SiC相對(duì)較低。另一方面，SiC陶瓷的力學(xué)性能還隨燒結(jié)添加劑的不同而不同。無壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)和反應(yīng)燒結(jié)SiC陶瓷對(duì)強(qiáng)酸、強(qiáng)堿具有良好的抵抗力，但反應(yīng)燒結(jié)SiC陶瓷對(duì)HF等超強(qiáng)酸的抗蝕性較差。就耐高溫性能比較來看，當(dāng)溫度低于900℃時(shí)，幾乎所有SiC陶瓷強(qiáng)度均有所提高；當(dāng)溫度超過1400℃時(shí)，反應(yīng)燒結(jié)SiC陶瓷抗彎強(qiáng)度急劇下降。（這是由于燒結(jié)體中含有一定量的游離Si，當(dāng)超過一定溫度抗彎強(qiáng)度急劇下降所致）對(duì)于無壓燒結(jié)和熱等靜壓燒結(jié)的SiC陶瓷，其耐高溫性能主要受添加劑種類的影響。

 

總之，SiC陶瓷的性能因燒結(jié)方法不同而不同。一般說來，無壓燒結(jié)SiC陶瓷的綜合性能優(yōu)于反應(yīng)燒結(jié)的SiC陶瓷，但次于熱壓燒結(jié)和熱等靜壓燒結(jié)的SiC陶瓷。