碳化硅陶瓷

碳化硅陶瓷

碳化硅陶瓷具有密度小．弹性模量大，热导率高，热膨胀系数低．抗热震性好，抗氧化性好，高温强度大，耐腐蚀等独特性能，这使得它有广泛的应用：其一，它可用于高温结构材料如发动机部件汽轮机叶片；其二，它可用于航空航天领域中的结构材料．由于它的高弹性模量和低密度决定了它具有很高的比刚度；其三，一些碳化硅陶瓷还可用于电子封装材料，由于它的热膨胀系数可以与S i ，G a A s相匹配；其四，由于碳和硅具有较低的原子序数，碳化硅可以用作原子反应堆的结构材料。

1 碳化硅陶瓷的烧结方法

SiC由于其共价键结合的特点，烧结时的扩散速率相当低，据J ．D．H o n g等的研究结果，即使在21 0 0 ℃的高温， C和 Si 的自扩散系数也仅为1.5×1 0 -10和 2 .5×1 0-13c m2／s 。所以 SiC 很难采取通常离子键结合材料所用的单纯化合物常压烧结途径来制取高致密化材料，必须采用一些特殊的工艺手段或依靠第二相物质促进其烧结。目前制备 S i C陶瓷的主要方法有无压烧结、热压烧结、热等静压烧结、反应烧结等。

1 ． 1 无压烧结

无压烧结被认为是 S i C烧结最有前途的烧结方法，通过无压烧结工艺可以制备出复杂形状和大尺寸的 SiC部件。根据烧结机理的不同，无压烧结又可分为固相烧结和液相烧结。对含有微量 SiO2的β—S i C可通过掭加B和C进行常压烧结，这种方法可明显改

善S i C的烧结动力学。掺杂适量的B，烧结过程中B处于SiC晶界上，部分与SiC形成固溶体，从而降低了SiC的晶界能。掺杂适量的游离C对固相烧结有利，因为 S iC表面通常会被氧化有少量SiO2生成，加入的适量C有助于使 S i C表面上的 SiO2膜还原除去，从而增加了表面能。然而C对液相烧结会产生不利影响，因为C会与氧化物添加剂反应生成气体，在陶瓷烧结体内形成大量的开孔，影响致密化进程。SiC的烧结工艺中，原料的纯度、细度、相组成十分重要。S . Proehazka通过在超细β—SiC粉体(含氧量小于0. 2％) 中同时加人适量 B和C的方法，在 20 2 0 ℃下常压烧结成密度高于 9 8 ％的 SiC烧结体。但 S i C—B—C 系统属于固相烧结的范畴，需要的烧结温度较高，并且断裂韧性较低，断裂模式为典型的穿晶断裂，晶粒粗大且均匀性差。

国外对 S i C的研究焦点主要集中于液相烧结上，即以一定数量的烧结助剂，在较低的温度下实现SiC致密化。SiC的液相烧结相对于固相烧结，不仅烧结温度有所降低，微观结构也改善了，因而烧结体的性能也较固相烧结体有所提高。

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2 热压烧结

SiC的共价键很强，致使烧结时的体积和晶界扩散速率相当低；SiC晶粒表面的 SiO2薄膜，同时也起到了扩散势垒的作用。因此不使用添加剂或高压力，将SiC烧结到高的密度是相当困难的。J.S. Nadeau指出，不添加任何烧结助剂，纯SiC只有在极高的温度(2500℃)下才能烧结致密，于是不少人对SiC实行热压烧结工艺。关于添加烧

结助剂对SiC进行热压烧结的报道已有许多。Alliegro等研究了B、Al、Ni、Fe、Cr等金属添加物对 S iC致密化的影响，发现 Al 和 Fe是促进 SiC热压烧结最有效的添加剂。F.F .Lange研究了添加不同量Al2 O3对热压烧结SiC的性能影响，认为热压烧结致密是靠溶解-再沉淀机理。

热压烧结虽然能降低烧结温度，并且具有较高的烧结密度和抗弯强度。但是热压烧结工艺只能制备形状筒单的 SiC部件，而且一次热压烧结过程中所制备的产品数量很小，因此不利于工业化生产。

1 ． 3 热等静压烧结

传统的烧结工艺 ( 无压烧结或热压烧结) ．如果不加入适当的添加剂，纯SiC很难烧结致密。为了获得致密的SiC烧结体，必须采用亚微米级SiC细粉，并加入少量合适的烧结添加剂。但是添加剂的引入， SiC陶瓷的许多性能必定受到影响。为了克服传统烧结工艺存在的缺陷，Duna S.以 B和 C为添加剂，采用热等静压 ( HIP)烧结工艺，在1900 ℃便获得了密度太于 9 8％、室温抗弯强度高达600MPa左右的细晶SiC陶瓷。

尽管热等静压烧结可获得形状复杂的致密SiC制品，并且制品具有较好的力学性能，但是HIP烧结必须对素坯进行包封，所以很难实现工业化生产。

1.4 其它烧结方法

要进行SiC陶瓷的低温烧结，还可采用反应烧结。反应烧结S iC 又称自结合SiC，是由α—SiC粉和石墨按一定比例混台成坯体后，

并加热到1650 ℃左右，同时熔渗 Si或通过气相Si渗入坯体，使之与石墨起反应生成β—SiC，把原先存在的α—SiC颗粒结合起来。如果渗Si完全，就可得到完全致密、无尺寸收缩的反应烧结体。反应烧结虽可制得形状复杂的致密SiC陶瓷，并且具有良好的抗热震性，但烧结体中相当数量Si的存在，使得反应烧结的SiC陶瓷高温性能较差。

八十年代国外又通过微波烧结技术成功地在较低的温度下烧结了SiC陶瓷，但微波烧结的机理还很不清楚，所以关于这一方面的报道仍很少。

2 碳化硅陶瓷的液相烧结机理

α-S i C在液相烧结系统中的粗化是溶解-沉淀机制。该机理的粗化动力包括两个过程： a ) 界面反应，包括溶解和沉淀结晶： b ) 溶质在液相中的扩散。大颗粒消耗掉小颗粒而长大。Sigl和Kleebd 通过 SEM照片看到明显的粒子的核壳结构，壳是沉淀的新物质，核是初始粒子。同时壳中有痕量O2出现，而核中没有，说明是在物质传输中带入的，从而验证了碳化硅粒子生长的机理是溶解-沉淀机理。粗化过程是受两个过程中较慢的过程控制的，Lee等提出了一条通用规则：具有小平面的晶粒是界面反应机理；而具有圆滑平面的晶粒是扩散控制机理。这一规则被一系列实验观察到的晶粒形状和粗化动力数据所证实。金属碳化物陶瓷( 包括TiC、HfC、Ta C 、NbC 、WC等)，Si3N4、 Al203为界面反应控制机理粗化； VC、MoC、M g是扩散控制机理粗化。YE和 Pujar等发现α-SiC晶粒粗化速率与液相量( 即