反应烧结碳化硅研究进展
反应烧结SiC的制造和性能
反应烧结SiC的制造和性能新型陶瓷材料由于具有各种特殊的性能被应用于许多工业领域，为解决材料使用问题发挥着越来越重要的作用。
新型陶瓷具有多种功能，按性能分为电学、电子功能、力学功能、光学功能、热学功能、生物功能等等。
近几年来，特别引起人们注意的是机械力学功能陶瓷。
我们根据省科委下达的科研项目，通过大量调研，开展了对反应烧结SiC材料制造与性能的研究。
利用传统的SiC粉料，采用压制成型工艺传统烧成法制造不出高密度SiC 材料，如采用热压烧结、无压烧结或反应烧结工艺可达到其目的。
反应烧结SiC 已是30多年来的商品化材料，首先是出现在美国的气相渗硅工艺，以后英国原子能协会的反应堆高性能材料元件通过液相渗硅工艺研制成功，后来各国对此材料采用挤出成型、等静压成型、压制成型、注浆成型、注射成型等不同工艺进行了详细的研究，分别制造出了机械密封件、轴承、火箭喷嘴、烧嘴、阀件、发动机转子等多种部件，其中部分已形成商品化应用到工业中取代硬质合金等昂贵的金属材料，取得了显著的经济效益。
工艺概述RB-SiC是由于碳化硅粉与石墨或炭黑混合，加入少量粘结剂，通过各种成型方法成型，去掉粘结剂后，将坯体放在特殊设计的真空炉中，使之与熔硅接触，坯体被融硅润湿、渗透，Si与坯体枝、中的石墨或C反应形成新SiC沉积到原来的SiC上，把原来的SiC结合在一起，剩余的气孔由Si填充。
最终的制品含有约8-10%的游离Si，该材料的特点是可通过调节坯体中C含量来调节制品的游离Si量，从而制造不同性能的制品。
SiC材料各相含量的控制原理反应烧结SiC的一个重要特点是在坯体渗Si后尺寸无变化或很少有变化，因此要形成理论密度的SiC，坯体中必须含有一定量气孔，以满足石墨或C转化成SiC时的体积增大的需要，假如坯体全由C组成，理论最大C密度应按如下计算：C + Si →SiC12 40SiC理论密度3.12g/cm³,40g SiC体积应为12.46 cm³，这时12g C分散到12.46 cm³中就可能全部生成SiC，故最大C密度为d th = 0.963g/cm³如果在C中加入部分α-SiC作为稀释剂，C在其中占得分数为x，则实现全部C转化所需的理论坯体密度为：d th1= 3.21 / (1+2.33x)由该式可看出x ↑d th1 ↓ ,但SiC周围的C密度仍保持为0.963g/cm³，虽然可假定坯体2石墨或C均匀分布，但由于在成型过程中的不均匀现象，可能会造成某区域出现C密度大于0.963g/cm³，从而未反应的C 会影响材料的性能。
反应型C SiC材料的研制
宁夏大学本科毕业论文答辩
实验原理
和含C 反应烧结 SiC又称自结合 SiC，是由 SiC、C和含 又称自结合 ， 、 和含 结合剂按一定比冽混合制成坯体， 结合剂按一定比冽混合制成坯体，坯体可以用一种常 规陶瓷成型技术成型（如干压、泥浆浇注、650℃左右（由于实验中选取的原料纯度 然后加热到 ℃左右（ 较高、 较高、并且所用马弗炉上限温度限制因此反应温度仅 ），高温下所用粘合剂高温裂解 在1100℃左右），高温下所用粘合剂高温裂解，转化 ℃左右），高温下所用粘合剂高温裂解， 出骨架碳结构与SiC颗粒结合起来。由于工业所生产的 颗粒结合起来。 出骨架碳结构与 颗粒结合起来 碳化硅中有大量游离硅存在， 碳化硅中有大量游离硅存在，所以会和加入的石油焦 进一步反应，生成碳化硅。 进一步反应，生成碳化硅。 反应方程式如下所示
Si(s) +C(s)=SiC(s)
（2-1） ）
宁夏大学本科毕业论文答辩
实验设计框图
实验步骤示意框图如下所示
宁夏大学本科毕业论文答辩
实验条件探索
1、样品中碳化硅粗细颗粒配比探索 、 通过对碳化硅不同颗粒进行粗细配比， 通过对碳化硅不同颗粒进行粗细配比，然后制样进行性能 测试，得出性能较好的粗细配比度， 测试，得出性能较好的粗细配比度，确定后进行下一步加入 石油焦的比对实验。 石油焦的比对实验。 2、样品中添加粘结剂糊精比例探索 、 实验比例分别按照3%、 、 进行比对 进行比对， 实验比例分别按照 、5%、7%进行比对，将干粉加 入到原料中，将蒸馏水加热到95℃左右， 入到原料中，将蒸馏水加热到 ℃左右，倒入混合料中进 行搅拌，在不断加入蒸馏水的过程中观察混料的粘合情况， 行搅拌，在不断加入蒸馏水的过程中观察混料的粘合情况， 在干燥后观察形貌，是否有断裂出现。 在干燥后观察形貌，是否有断裂出现。 3、添加石油焦比对实验 、 经过前两步的实验可以选定碳化硅粉M2为主要相， 经过前两步的实验可以选定碳化硅粉 为主要相， 为主要相 粗细颗粒比例M1:M2:M3为3:4:3进行原料配比，粘合 进行原料配比， 粗细颗粒比例 为 进行原料配比 剂糊精的比例可以选取3%加入原料中进行反应 加入原料中进行反应。 剂糊精的比例可以选取 加入原料中进行反应。研究 石油焦加入后样板的品质是否有所提升
碳化硅结合氮化硅制品的发展现状
碳化硅结合氮化硅制品的发展现状氮化硅结合碳化硅制品是近30年发展起来的一种高科技耐火材料。
1955年，美国Casrborunduln公司在生产硅酸盐结合碳化硅制品的基础上研制成功，并获得了专利权。
1960年日本TKR公司引进美国的此项技术并成功应用[1～2]。
氮化硅和碳化硅均为共价键极强的化合物，有相似的物理和化学性能，在高温状态下仍保持较高的键合强度。
硅粉均匀包围碳化硅，经过高温氮化反应，形成致密的网络结构，因此氮化硅结合碳化硅制品具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损、耐冲刷、抗氧化等一系列优异性能，且对氢氟酸以外的所有无机酸都具有良好的抵抗性，不被金属液尤其是非铁金属液润湿，能耐大部分有色金属熔融液的侵蚀。
作为高级耐火材料在各种气氛中正常使用温度可达1500 ℃左右，广泛用于陶瓷、有色冶金、钢铁冶金、粉末冶金、化工等行业。
1 氮化硅结合碳化硅制品的主要制备方法氮化硅的制备方法包括：硅粉直接氮化法、碳热还原二氧化硅法、Si（NH）2热分解法、SiH4和NH3气相反应法。
通常情况下，反应烧结氮化硅结合碳化硅制品中氮化硅生成方法为硅粉直接氮化法，高温下通过氮向硅粉粒子内部扩散，化合生成氮化硅[6～7]。
氮化硅结合碳化硅制品制备经过七个步骤：原料处理、配料、混料、成型、干燥、氮化烧成、产品检验。
氮化原料主要采用工业用绿碳化硅和硅粉，经破碎、水洗等方法进行原料预处理，根据配方（表1）称量碳化硅砂及硅粉，按要求把不同粒度的碳化硅原料放入混料机内干混，然后加入有機结合剂温混，充分搅拌15～20 min，过筛后，放入料仓进行闷料储存24 h。
将闷好的料准确称量后，均匀放入模具中，振动加压成型，再经真空吸盘转移到储坯车上，放入干燥室内干燥，干燥温度以100℃～120℃为好。
干燥过程中应严格控制升温速度，以免坯体出现变形或开裂。
坯体一般干燥时间为3天，干燥完成后经精修坯体和生坯检测，合格的进入氮化炉烧成。
氮化过程中，当温度升至700℃～1450℃进行抽真空后向氮化炉中充入纯度为99.99%以上的氮气直至反应完成。
无压烧结碳化硅和反应烧结碳化硅
无压烧结碳化硅和反应烧结碳化硅1. 无压烧结碳化硅概述无压烧结碳化硅，是指在常温下将性质相似的碳化硅粉末，加入一些助烧剂和黏结剂，制成形状结构，然后在高温下进行烧结，最终得到密度较高、耐磨性、高温稳定性好的碳化硅制品。
无压烧结碳化硅制品具有优秀的耐火、耐高温、抗氧化、耐腐蚀和机械性能，广泛应用于电力、机械、化工、航空、国防等领域。
（1）原材料选择制备无压烧结碳化硅的前提是有高纯度、均匀粒度的碳化硅粉末。
这些碳化硅粉末通常由精细的制粉技术生产，在制粉过程中需要精确控制加工参数，以达到粒度均匀、纯度高的要求。
助烧剂的作用是增加烧结时粉末之间的相互作用力，促进颗粒在高温下的结合。
常用的助烧剂有硼酸和氮化硼等，它们在零压下也可以发生反应，可以形成高温稳定的氧化硼相和氮化硼相，从而增加碳化硅粉末的压实性和烧结性能。
（2）混合成型在混合成型工艺中，需要添加一定量的黏结剂将碳化硅粉末粘结成一定形状的工件。
常用的黏结剂有水玻璃、聚合物等。
在添加黏结剂的同时，需要注意黏结剂的种类和粘接度，以确保烧结时得到均匀、有力的结合。
（3）烧结在烧结过程中，需要加热到高温，以使粉末颗粒之间形成化学键和相互作用力，从而形成一个致密的烧结体。
烧结温度和时间的选择是制备无压烧结碳化硅制品的关键，它们需要根据样品的具体情况和使用要求进行调整。
反应烧结碳化硅是一种通过碳化硅和碳在高温下反应得到的制品。
与无压烧结碳化硅不同，反应烧结碳化硅不需要额外添加助烧剂和黏结剂，因此烧结后的制品质量更加稳定、坚固。
4. 反应烧结碳化硅的制备工艺反应烧结碳化硅的原材料包括碳和碳化硅，碳化硅通常为高纯度，且添加量和粒度要保持在一定范围之内。
碳和碳化硅混合后，需要通过机械手段进行均匀混合。
（3）热压成型反应烧结碳化硅的热压成型包括冷压和热压两个阶段。
在冷压阶段，需要加压，以使碳和碳化硅颗粒初步结合。
在热压阶段，需要加热至高温，使碳和碳化硅颗粒完全反应生成碳化硅，并在高温下压缩成一体。
国内外碳化硅陶瓷材料研究与应用进展
国内外碳化硅陶瓷材料研究与应用进展一、本文概述碳化硅陶瓷材料，作为一种高性能的无机非金属材料，因其出色的物理和化学性能，如高强度、高硬度、高热稳定性、良好的化学稳定性以及低热膨胀系数等，在航空航天、汽车、能源、电子等多个领域具有广泛的应用前景。
本文旨在全面综述国内外碳化硅陶瓷材料的研究现状、发展趋势和应用领域，以期为相关领域的科研人员和技术人员提供有价值的参考。
本文首先回顾了碳化硅陶瓷材料的发展历程，并分析了其独特的物理和化学性质，以及这些性质如何使其在众多领域中脱颖而出。
随后，文章重点介绍了国内外在碳化硅陶瓷材料制备工艺、性能优化、结构设计等方面的研究进展，包括新型制备技术的开发、复合材料的制备与应用、纳米碳化硅陶瓷的研究等。
文章还讨论了碳化硅陶瓷材料在航空航天、汽车、能源、电子等领域的应用现状及未来发展趋势。
通过本文的综述，我们期望能够为碳化硅陶瓷材料的研究与应用提供更为清晰和全面的视角，推动该领域的技术进步和创新发展。
我们也期待通过分享国内外的研究经验和成果，为国内外科研人员和技术人员搭建一个交流与合作的平台，共同推动碳化硅陶瓷材料的发展和应用。
二、碳化硅陶瓷材料的制备技术碳化硅陶瓷材料的制备技术是决定其性能和应用领域的关键因素。
经过多年的研究和发展，目前碳化硅陶瓷的主要制备技术包括反应烧结法、无压烧结法、热压烧结法、气相沉积法等。
反应烧结法：反应烧结法是一种通过碳和硅粉在高温下反应生成碳化硅的方法。
这种方法工艺简单，成本较低，但制备的碳化硅陶瓷材料致密度和性能相对较低，主要用于制备大尺寸、低成本的碳化硅制品。
无压烧结法：无压烧结法是在常压下，通过高温使碳化硅粉末颗粒之间发生固相反应，实现烧结致密化。
这种方法制备的碳化硅陶瓷材料具有较高的致密度和优良的力学性能，但烧结温度较高，时间较长。
热压烧结法：热压烧结法是在加压和高温条件下，使碳化硅粉末颗粒之间发生固相反应，实现快速烧结致密化。
这种方法制备的碳化硅陶瓷材料具有极高的致密度和优异的力学性能，但设备成本高，生产效率较低。
【国家自然科学基金】_反应烧结碳化硅_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140730
推荐指数 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2013年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
科研热词 颗粒级配 碳化硅陶瓷 碳化硅 注浆成型 反应烧结 冲蚀磨损 陶瓷基复合材料 金刚石-碳化硅 纳米碳颗粒 真空气相反应渗透 热膨胀系数 氧化行为 杨氏模量 显微结构 孔隙率 多孔陶瓷材料 lialsio4
推荐指数 4 4 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2009年 序号 1 2 3 4 5 6
科研热词 表面改性 粗糙度 散射 si膜 s-sic rb-sic
推荐指数 1 1 1 1 1 1
2010年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
2012年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
科研热词 碳化硅 过滤材料 表面轮廓 蜂窝陶瓷 纸张 石墨 核主泵 机械密封 有色金属熔液 摩擦学性能 多孔碳化硅 复层结构 反应连接 内加热器套管 仿生设计 rb-sic反射镜
推荐指数 3 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2011年 科研热词 碳化硅 陶瓷连接 氮化硅 氧化钆 力学性能 陶瓷先驱体 锆英石 钛碳化硅 造孔剂 聚硅氧烷(sr355) 聚硅氧烷 耐火材料 纳米si粉 碳化钛 碳化硅陶瓷 碳化氮化 硅 相平衡：相图 相平衡 相图 热压烧结 木质陶瓷 木纤维 无压烧结sic 多孔陶瓷 复相陶瓷 埋碳 原位合成 二硼化钛 silicon nitride silicon carbide phase equilibrium phase diagram gadolinium oxide 推荐指数 5 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
碳化硅陶瓷的液相烧结及其研究进展
碳 化 硅 陶瓷 的液相 烧 结 及 其 研究 进 展
武 卫兵 ‘靳 正 国 ，
（ １四沙股 份有限公 司， 淄博 ２５５ ； 天律 太学 ， ５０５ ２ 天津 ３ ０７ ） ００２
摘要 ： 奉文 对碳化 硅 波相烧 结添加 系统及 其 烧 结机 理作 了论 述 。有 氧化 物 参 与 的碳 化硅 的液相烧 鲒可 以降低碳 化硅 的烧 结 温度 ， 促进 碳化硅 的致 密化 ， 高碳 化硅 陶 瓷的性 能。沿 晶 提 断 裂和 穿晶断 裂混合 断裂机 理是 液相 烧结碳 化硅 陶瓷 强度 和韧性提 高的原 因。表 面强化和韧 化 可 以进 一步提 高碳 化 硅 陶瓷材料 的性 能
一
物陶瓷因为耐高温、 耐腐蚀、 耐磨和高温强度高等 优点 在机 械 、 工 、 源 、 工 等 方 面具 有潜 在 的 化 能 军
应用 前景 ， 为最 具前途 的 高温结构 材料 。 成 ７ ０年代初 ，ｒｅａｋ Ｐｏｈｚａ首先 以少 量 的 Ｂ、 为 Ｃ作 添加剂， 在无任 何 压 力 条 件下 获 得 致密 的 碳 化 硅 烧结 体 以来 ， 化 硅 陶 瓷 的 研 究 迅 速 发 展 。但 碳 ＳＣＢＣ系统 属于 固相烧结 范 畴 ， 要较 高的烧 结 ｉ．． 需 温 度 （ ２０ ￣ ， ＞ １０Ｃ）并且 断裂韧 性 较低 ， 较强 的 裂 有 纹强 度敏 感性 ； 结构 上表 现 为 晶粒 粗 大 且均 匀 在 性差 ， 裂模 式 为典 型 的 穿 晶断 裂 模式 这种 高 断 脆 性 和 高 的 烧 结 温 度大 大 限 制 了 ＳＣ陶 瓷 的 使 ｉ
剂系统 ， 使液相烧结碳化硅陶瓷的抗氧化性、 抗热 震 性 、 度和 韧性 等得到 进一 步发展 。 强
２ 液相烧结添加剂 的选择
SiC烧结的研究进展
收稿日期:2001-06-02基金项目:863新材料领域专家委员会资助项目,(863-715-0230)作者简介:武安华(1969-),男(汉),河南沁阳人,博士生,从事先进陶瓷粉末冶金方面的研究。
SiC 烧结的研究进展武安华,曹文斌,李江涛,葛昌纯(北京科技大学特种陶瓷粉末冶金研究开发中心,北京100083)摘 要:回顾了50年来SiC 烧结领域研究所取得的成果,在这些成果的基础上,探讨了SiC 固相烧结及液相烧结的烧结机理,并对不同烧结条件下,SiC 烧结体的微观结构及物理化学性能进行了比较。
在回顾和总结过去成果的基础上,结合研究现状,对该领域研究发展的趋势进行了展望。
关键词:SiC;固相烧结;液相烧结;微观结构中图分类号:TF125.4 文献标识码:A 文章编号:1006-6543(2002)03-0028-05PROGRESSINSiCSINTERINGWUAn 2Hua,CAOWen 2bin,LIJiang 2tao,GEChang 2chun(LaboratoryofSpecialCeramicsandP/M,UniversityofScienceandTechnology,Beijing100083,China)Abstract:TheprogressinSiCsinteringforpastfivedecadesisreviewed.Basedontheob 2tainedresults,themechanismsofSiCsolidstatesinteringandliquidphasesinteringare discussed.ThemicrostructureandphysicalandchemicalpropertiesoftheSiCsinteredby differentprocessesarestudied.Consideringtheproblemstobesolved,thedevelopment trendsinthisareaarepredicted.Keywords:siliconcarbide;solidstatesintering;liquidphasesintering;micro2structure 碳化硅陶瓷具有耐高温、抗热震、耐腐蚀、抗冲刷、耐磨、重量轻及良好的热传导性能等优点。
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研究表明, Si2Mo 合金浸渗坯体对渗入过程动 力学几乎没有影响[ 12] 。
反应烧结碳化硅的基本原理如下: 高温下硅 渗入含碳坯体, 并与碳反应生成碳化硅, 使坯体获 得烧结。反应烧结工艺的特点决定了其中一般含 有量 8% ~ 12% ( 质量分数) 左右的游离硅, 其余 为碳化硅。
反应烧结具有工艺简单, 烧结时间短, 烧结温
度和成本远低于热压和无压烧结碳化硅, 净尺寸 烧结( 烧结前后尺寸无变化) , 易制备大型复杂形 状制品等优点。
虽然 RBSC 具有许 多优异性能, 但本质上还 是一种脆性材料, 这限制了它在实际工程中的应 用范围。
/ Silicomp0材料中用碳纤维代替碳粉, 虽然生 成的碳化硅保留了碳纤维的原始形貌, 但是由于 这种假纤维形貌的碳化硅并不是真正的纤维, 因 此材料的韧性并不好。随着纤维增强陶瓷基复合
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硅酸盐通报 2002 年第 1 期
关键词 反应烧结 碳化硅 性能
1 引言
碳化硅具有各种优异的性能, 如超硬耐磨、高 热导率和机械强度、低热膨胀系数、耐化学腐蚀、 高温稳定性( 直到 2500 e 的分解温度) 、有用的电 阻特性等。碳化硅是所有非氧化物陶瓷中抗氧化 性能最好的一种。
以上的性能使得碳化硅作为一种结构材料广 泛用于高温、高压、腐蚀、辐射、磨损等严酷条件下 的工业领域如机械密封件、高温热交换器、高温陶 瓷辐射燃烧器、高载荷长寿命窑具、航空发动机燃 烧室、核燃料冷却堆包覆材料以及高温气冷堆的 炉衬材料等, 碳化硅也是陶瓷发动机部件的候选 材料之一。
用 Hucke 工艺制备的 Si/ SiC 复合材料, 最高 断裂强度高达 1GPa, 一般都在 600~ 700MPa[ 4] , 这 是目前所报道的性能最高的 RBSC 材料。
Hucke 法的缺点在于 原料价格昂贵: 坯体前 期制备工艺过程过于复杂; 有机物的制备及其热 解过程放出大量的有毒气体, 污染环境; 难以大规 模工业化。
G1G1Trantina 和 R1L1Mehan 发现这 种 Si/ SiC 复合材料高温下尤其是硅熔点附近的物理性能并 不随加载时间( 加载速度) 发生改变[14] ; 从 Si 熔点 到 1600 e 强度 不变, 但处于较低值, 不到常温强 度值的一半。
R1L1Mehan 等人报道了 SiC 的含量和方向对 这种复合材料性能的影响[15] , 认为, 随着 SiC 含 量的增加, 材料性能提高。以上几篇报道中均提 到渗硅后烧结体中都含有一定量未反应完全的残 余碳。这也是烧结体密度、强度偏低的一个原因。
离硅的含量。它主要是利用高温下硅的蒸汽压比 较高, 使硅从 RBSC 烧结体中挥发。
现 有 研 究 表 明, RBSC 中 的 游 离 硅 经 过 1600 e 、1800 e 的真空热处理能够全部去除; 经过 1800 e 真空热处理的材料的强度均高于 1600 e 真 空热 处理材料的强度。主要原因是 1800 e 真空 热处理过程中碳化硅再结晶以及气孔形状发生变 化[7] 。
另据报道, 一种新型的反应烧结碳化硅材料 正在研究中[5, 6] 。与Hucke 法不同的是, 此种材料 以石油焦为原料, 而不是 C+ SiC, 制备全碳质坯 体, 经高温渗硅烧结而成。
这种工艺虽然难以象 Hucke 工艺那样能够精 确控制 坯体 结构, 性能 也 比 Hucke 工艺 制 备的 RBSC 的性Байду номын сангаас低, 但是由于采用了价格低廉的石油 焦为原料, 生产成本很低, 适合大规模工业化生 产, 因此是一种非常有希望的工艺。
本文对有关这方面的研究进展作了综述, 包 括传统 RBSC、Silicomp、纤维增 强 Si/ SiC 复 合材 料、Hucke 工艺、RBSC 的后续热处理以及合金浸 渗 RBSC 等。
2 各种措施
211 传统反应烧结工艺 早在 50 年代 P1Popper 等人[1] 用反应烧结法
粘结粗碳化硅粉, 制备反应结合碳化硅获得成功。 其制备工艺如下: 将碳化硅粉、碳粉以有机粘
综合评述
材料的研究与开发, 人们试图运用纤维来增强传 统 RBSC 复相陶瓷基体, 制备出强度、韧性优异的 RBSC 复合材料。
用 SiC 纤维部分取代 SiC 粉, 成坯后 SiC 纤维 具有一定排布形态, 烧结体就成为一种连续纤维 增强 RBSC 复相陶瓷材料。
为了防止在复合材料制备过程中 SiC 纤维与 高温熔融硅之间的化学反应, 使纤维与基体之间 产生弱界面结合, 增加断裂过程中纤维的脱粘、滑 移、裂纹偏转、裂纹桥接及纤维拔出等韧化机制, 通常在 SiC 纤维表面涂覆一层厚度约为 3Lm 的 C 和 SiC 层。
另一种类似的材料是渗硅碳化硅( SiSiC) , 它 以 SiC 为原料, 先经高温烧结成所谓/ 重结晶碳化 硅0, 然后再在高温下渗硅, 得到含有部分气孔和 游离硅的 SiC 材料, 也可以不经过高温重结晶烧 结, 而是将碳化硅成型为坯体后直接渗硅, 这样制 备的材料不含气孔。SiSiC 体中没有加入碳, 因此 烧结过程是一个纯粹的物理渗入过程, 没有新的 碳化硅颗粒生成。因为难于制备高密度的坯体,
后加工
图 1 传 统 RBSC 制备工艺
用的方法, 一般称之为传统 RBSC( 见图 1) 。 可以使用硅蒸汽浸渗坯体, 但是发现烧结体
多孔且强度不高[2] , 且要求比较高的烧结温度, 无 法获得完全的致密化, 于是后来改用液硅浸渗坯 体, 并获得成功, 烧结体气孔率几乎为零。
与传统 RBSC 相似的材 料有硅 化石墨 ( Sili2 conized Graphite ) ) ) S2G) , 它是一种前苏联科学家 发明的渗硅工艺, 以石墨为原料, 按照石墨的成型 工艺制备坯体, 经高温渗硅而得。最初的目的是 制备一种 C/ C 复合材料的抗氧化涂层。80 年代 俄罗斯科学家将石墨整体硅化获得成功, 但是由 于石墨分散 ) 成型过程中难以控制坯体结构, 材 料性能并不高。
硅酸盐通报 2002 年第 1 期
综合评述
反应烧结碳化硅研究进展
武七德 洪小林 黄代勇
( 武汉理 工大学马房山校区西院材料学院, 武汉 430070)
摘 要 对有关反应结合碳化硅( RBSC) 材料的研究 进展作了 综述, 并 对存在的 问题和今 后可能
的发展方向提出了自己的见解, 包括: 进一步提高 性能; 降低游 离硅含 量, 提 高使用 温度; 提高材 料的可 靠性和稳定性; 低成本化。
正是由于反应烧结碳化硅的各种优异性能及 该工艺的优 点, 使得 RBSC 成为一种最早实现大 规模工业应用的结构陶瓷, 具有及广阔的应用前 景。
但是游离硅的存在使得 RBSC 的使用温度一 般低于 1380 e , 脆性材料 的本质也 限制了 RBSC 的进一步应用。为了进一步提高 RBSC 的性能, 减少其中游离硅的含量, 提高 RBSC 的使用温度, 扩展其应用范围, 各国材料工作者都加入到了 RBSC 的研究行列中。
碳质多孔坯体, 再经高温渗硅制得了高性能的反 应烧结碳化硅[3] 。它以有机物为原料, 通过化学 反应制得坯体。
Hucke 法制备多孔生 坯的突出优点是: 可以 通过化学反应中浓度、组分、温度等条件, 比较精 确地控制碳质骨架的结构, 比用研磨、混合、粒度 级配等机械操作方法来制备骨架的普通的/ 砌筑0 法要均匀得多, 从而获得高性能的 RBSC 产品。
214 高温合金融渗 RBSC 用耐高温合金组成物如 Si2Mo 取代 Si 渗入坯
体, 溶解的 Mo 析出 MoSi2 同时消耗掉微量的游离 硅, 这样就可以减少游离硅的含量, 同时生成一种 耐高温化合物。
William B. Hillig 指出[9] , 用 Si2Mo 合金取代单 纯的 Si 浸渗 坯体, 有 可能消 除烧结 体中的 游离 硅, 尽管目前的研究尚未获得不含游离硅的 Sili2 comp 产品。
这种方法的优点在于: 可以使熔融硅沿着纤 维快速浸润与传递, 大大缩短浸渍时间, 保证熔融 硅进入复合材料芯部, 制备更大尺寸的制品; 还可 以通过局部调整纤维含量和取向, 设计各向异性 的复合材料。
这种制备工艺的缺点在于: 纤维的分散困难, 难以制备结构均匀的坯体, 进而使烧结体密度和 整体性能偏低。 216 纤维增强 Si/ SiC 基复合材料
弹性模量 ( GPa) 140 ) ) 420 400 450
膨胀系数 ( @10- 6 e - 1)
4. 4 ) 4. 5 4. 4 ) 4. 5
洛氏硬度 (HRA) 85 90 90. 5 92 92. 5 )
30
硅酸盐通报 2002 年第 1 期
综合评述
2. 3 RBSC 的后续热处理 采用补充热处理的方法可以减少 RBSC 中游
表 1 各种反应烧结技术产品比较
性能指标
密度 ( g/ cm3)
硅化石墨
21 70
渗硅碳化硅
21 90
RBSC* *
3. 05
传统 RBSC
3. 10
Hucke 工艺
3. 14
HIPSiC
3. 21
注: RBSC* * 为文献[5, 6] 所报道的工艺 1
室温抗折强度 ( MP a) 196 180 350 500 700 760
这些研究结果表明, 用合金取代硅浸渗坯体 能够减少烧结体中游离硅的含量, 提高材料的使 用温度。但是, 关于合金浸渗坯体实际的反应过 程尚不清楚, 目前的技术还无法使游离硅完全转 化为高温相。而且该工艺要求事先将硅用耐高温
金属饱和以保证熔体进入坯体, 这样增加了工艺
的复杂性。 215 Silicomp 及其类似材料的研究