碳化硅陶瓷的4种烧结

碳化硅陶瓷的烧结方法不同，也导致了其性能的不同。各碳化硅陶瓷厂家简单介绍一下碳化硅陶瓷的几种烧结方法。
1. 热压烧结。
20世纪50年代中期，美国诺顿公司开始研究B、Ni、Cr、Fe、Al等金属添加剂对SiC热压烧结的影响。实验表明，Al和Fe是热压烧结SiC致密化的有效添加剂。
有研究者使用Al2O3作为添加剂，通过热压烧结工艺实现SiC的致密化，并认为其机理为液相烧结。此外，也有研究者分别使用B4C、B或B和C、Al2O3和C、Al2O3和Y2O3、Be、B4C和C作为添加剂，采用热压烧结的方法，获得了致密的SiC陶瓷。
究表明，烧结体的微观结构、力学、热学等性能会因添加剂种类的不同而不同。例如：当使用B或B化合物作为添加剂时，热压SiC的晶粒尺寸较小，但强度较高。当Be作为添加剂时，热压SiC陶瓷具有较高的导热系数。
2. 反应烧结。
SiC的反应烧结法在美国已经研究成功。反应烧结的工艺为：首先将α-SiC粉末与石墨粉末按比例混合，然后通过干压、挤压或灌浆等方法制成多孔坯体。在高温下与液态硅接触时，坯体中的C与渗入的硅反应生成β-SiC，β-SiC与α-SiC结合，过量的硅填充孔隙，从而获得无孔致密的反应烧结体。反应烧结SiC通常含有8%的游离Si。因此，为了保证Si完全入渗，坯料应具有足够的孔隙率。一般通过调整初始混合料中α-Si C和C的含量、α-Si C的粒度级配、C的形状和粒度以及成型压力来获得合适的生坯密度。
实验表明，采用无压烧结、热压烧结、热等静压烧结和反应烧结制备的SiC陶瓷具有不同的性能特点。例如，在烧结密度和抗折强度方面，热压烧结和热等静压烧结的SiC陶瓷相对较多，而反应烧结的SiC相对较低。另一方面，SiC陶瓷的力学性能也随烧结助剂的不同而不同。无压烧结、热压烧结和反应烧结SiC陶瓷耐强酸、强碱性能较好，但反应烧结SiC陶瓷耐HF等超强酸腐蚀性能较差。在耐高温性能比较方面，当温度低于900°C时，几乎所有SiC陶瓷的强度都有所提高。当温度超过1400°C时，反应烧结SiC陶瓷的抗折强度急剧下降。（这是因为烧结体中含有一定量的游离Si，超过一定温度后抗弯强度急剧下降。对于无压烧结和热等静压烧结SiC陶瓷，添加剂的种类是影响其高温性能的主要因素。
3. 无压烧结。
1974年，美国通用电气公司通过在高纯度β-SiC微粉中同时加入少量B和C，采用无压烧结工艺，成功获得了2020°C下的高密度SiC陶瓷。目前，该工艺已成为制备SiC陶瓷的主要方法。美国GE公司的研究人员认为，晶界能与表面能之比小于1.732，是致密化的热力学条件。当B和C同时加入时，B固溶于SiC中，降低了晶界能，C降低了SiC颗粒表面的SiO2被减少和去除，增加了表面能。因此，B和C的加入为SiC的致密化创造了热力学上的有利条件。然而，日本研究人员认为，SiC的致密化不存在热力学限制。有学者认为SiC的致密化机理可能是液相烧结。他们发现在同时加入B和C的β-SiC烧结体中，晶界处存在富B液相。无压烧结机理目前尚无定论。
以α-SiC为原料，同时加入B和C，也可以实现SiC的致密烧结。
研究表明，单独使用B和C作为添加剂并不能帮助SiC陶瓷变得完全致密。只有同时加入B和C，才能获得高密度SiC陶瓷。对于SiC的致密烧结，SiC粉体的比表面积应在10m2/g以上，氧含量应尽可能低。B的添加量约为0.5%。C的添加量取决于SiC原料中的氧含量。通常情况下，碳的添加量与SiC粉末中的氧含量成正比。
有研究者在亚微米SiC粉体中添加Al2O3和Y2O3，在1850°C至2000°C的温度下实现SiC的致密烧结。由于较低的烧结温度和显著细化的组织，其强度和韧性大大提高。
4. 热等静压烧结。
近年来，为了进一步提高SiC陶瓷的力学性能，研究人员对SiC陶瓷的热等静压成型工艺进行了研究。研究人员使用B和C作为添加剂，采用热等静压烧结工艺，在1900°C下获得了高密度SiC烧结体。此外，通过该工艺，在2000°C和138MPa压力下成功实现了无添加剂SiC陶瓷的致密烧结。
研究表明，当SiC粉料粒度小于0.6μm时，即使不添加任何添加剂，也可以通过1950°C的热等静压烧结使其致密化。例如，若采用比表面积为24m2/g的SiC超细粉体，采用热等静压烧结工艺，在1850°C下即可获得高致密度的无添加剂SiC陶瓷。
此外，Al2O3是SiC陶瓷热等静压成型的有效添加剂。在热等静压烧结过程中，C的加入对SiC陶瓷的致密化没有影响，过量的C甚至会抑制SiC陶瓷的烧结。