碳化硅陶瓷材料研究的制備與應用探討

李斌

【摘 要】針對碳化硅陶瓷材料研究的制備與應用探討問題，探討了碳化硅陶瓷的制備方法及其性能，介紹了碳化硅陶瓷材料制備的反應燒結法，無壓燒結法和液相燒結法，總結碳化硅材料以其優(yōu)異的性能，介紹了它的應用范圍，展望了碳化硅陶瓷材料的發(fā)展趨勢。

【關鍵詞】碳化硅陶瓷；陶瓷材料；陶瓷燒結；燒結法

0.引言

由于碳化硅陶瓷具有超硬性能，又具有高溫強度和抗氧化性好、耐磨性能和熱穩(wěn)定性高、熱膨脹系數(shù)小、熱導率高、化學穩(wěn)定性好等優(yōu)點，可制備成各種磨削用的砂輪、砂布、砂紙以及各類磨料，廣泛應用于機械制造加工行業(yè)。它還可以應用在軍事方面，例如將碳化硅陶瓷與其他材料一起組成的燃燒室及噴嘴，這種技術已應用于火箭技術中。同時在航空、航天、汽車、機械、石化、冶金和電子等行業(yè)得到了廣泛的應用，碳化硅密度居中，硬度和彈性模量較高，還可用于裝甲車輛和飛機機腹及防彈防刺衣等。由于碳化硅產品具有操作簡單方便，使用壽命長，使用范圍廣等優(yōu)點，使碳化硅產品的市場發(fā)展前景廣闊，因此受到很多國家的重視，一直是材料學界研究的重點，如何制得高致密度的碳化硅陶瓷也是研究者一直關心的課題。目前制備碳化硅陶瓷的方法主要有以下幾種方法，由于制備方法的不同，碳化硅陶瓷材料的性能與制備工藝的不同有一定的相關性，本文對碳化硅陶瓷的制備方法及其應用進行了介紹。

1.反應燒結法制備陶瓷與應用

反應燒結法也可稱為活化燒結或強化燒結法。需要指出活化燒結和強化燒結的機理有所不同?；罨療Y的過程是指可以降低燒結活化能，使體系的燒結可以在較低的溫度下以較快速度進行，并且使得燒結體性能得到提高的燒結方法。而強化燒結的過程泛指能增加燒結速率，或強化燒結體性能（通過合金化或者抑制晶粒長大）的所有燒結過程?？梢娝鼈兊闹苽錂C理是存在差異的。反應燒結強調反應，這是一種化學過程，也就是有一種物質變成另外一種物質，例如，在制備碳化硅的過程中，就會在確定的溫度下發(fā)生Si+C→SiC 的化學反應。這種反應過程就是將碳化硅粉料和碳顆粒制成多孔坯體，然后將多孔坯體干燥后利用馬弗爐加熱至1450～1470℃，在這樣的條件下就可以使，熔融的硅滲入坯體內部與碳反應生成碳化硅。這一機理的探討源于上世紀七十年代，當時由于世界范圍內的石油危機，能源問題對世界各國的經濟發(fā)展帶來巨大的挑戰(zhàn)，為了提高內燃發(fā)動機的效率，科學家們開始考慮使用高溫陶瓷材料替代內燃機的金屬部件，這樣就可以提高效率。在1973年，英國人KennedyP和ShennanJV等開始了反應燒結制備碳化硅的深入研究[1]，1978年，英國劍橋大學的SawyerGR等人采用掃描電鏡、透射電鏡、光學顯微鏡和 X 射線衍射等手段對反應燒結碳化硅的微觀結構進行了一系列的定量表征[2]，從碳化硅的制備機理給與了探討；1990年，日本的LimCB等人研究了反應燒結碳化硅中強度、氣孔率與微觀結構的關系，隨著研究的進一步深入，反應燒結碳化硅產品開始逐步走向商業(yè)化。

2.無壓燒結法制備陶瓷與應用

無壓燒結法是在常壓條件，也就是在一個標準大氣壓的惰性氣體氣氛中進行燒結。這種燒結可以把粉狀物料轉變?yōu)橹旅荏w，這是一個傳統(tǒng)的工藝過程。人類很早就開始利用這個工藝來生產陶瓷、粉末冶金、耐火材料、超高溫材料等。我國古代就可以制備精美的工藝瑰寶，流傳至今。

一般來說，粉體經過成型后，通過燒結得到的致密體是一種多晶材料，其顯微結構由晶體、玻璃體和氣孔組成。給人類美的享受。它的燒結過程直接影響顯微結構中的晶粒尺寸、氣孔尺寸及晶界形狀和分布。無機材料的性能不僅與材料組成（化學組成與礦物組成）有關，還與材料的顯微結構有密切的關系。但這種燒結方法只停留在觀賞。在1956年，美國的AlliegroRA等人發(fā)現(xiàn)，加入某一物質可以使熱壓燒結碳化硅中發(fā)生促進燒結的作用，此后，實驗證實，許多物質如：Al、Fe、Cr、Ca、Ni、Al+Fe、Zr和Mn等能夠促進碳化硅的燒結過程。1975年，Prochazka S 等人在碳化硅坯體中加入不同的兩種物質，通過無壓固相燒結成功制備出碳化硅陶瓷。ProchazkaS等人的實驗采用的是高純的亞微米級β-SiC粉體，并在其中加入少量不同的兩種物質，他們的研究結果對無壓燒結法的機理帶來了重要的影響因素，實驗證明碳化硅的坯體通過固相燒結致密化，β-SiC在燒結過程中產生相變并發(fā)生晶粒長大，這種晶粒的大小與陶瓷的強度有關。由于碳化硅是高熔點的強共價鍵材料，這項研究結果報道后引起了許多研究者大量的關注，并且對碳化硅燒結過程的研究論文得到大量的引用。在 ProchazkaS的研究成果發(fā)表后不久，人們就發(fā)現(xiàn) 加入不同的兩種物質對β-SiC的燒結促進作用同樣適用于α-SiC。因此，使大部分碳化硅陶瓷產品得到大量應用。

3.液相燒結法制備陶瓷與應用

液相燒結法最早應用在7000年前，那就是古人用粘土燒制磚塊。開發(fā)液相燒結技術是由愛迪生發(fā)明的電燈絲所驅動。碳化硅的液相燒結開始于1975年，LangeFF首次在碳化硅的熱壓燒結過程中加入了部分氧化鋁以促進碳化硅坯體的致密化。當今的利用高新技術廣泛采用液相燒結技術制造陶瓷，壓電陶瓷，鐵氧體和高溫結構陶瓷。Al2O3在高溫下與SiC粉料顆粒表面的SiO2反應形成液相，成為碳化硅顆粒之間的晶間相，通過液相傳質過程使坯體致密化。

與添加不同的兩種物質的碳化硅固相燒結不同的是，利用液相燒結過程中需要燒結助劑較少，這種添加劑的添加量通常只有百分之幾，盡管用量較少，但在燒結完成后的晶間相中仍然會殘留較多的氧化物。因此，液相燒結碳化硅的斷裂方式通常是沿晶斷裂，具有較高的強度和斷裂韌性。ShinozakiSS和SuzukiK等人通過加入質量分數(shù)不低于3%的Al2O3，分別采用無壓燒結和無壓燒結與熱等靜壓相結合的辦法，系統(tǒng)地研究了它們的組織和力學性能。通過一系列不同的燒結制度，研究了晶粒生長、密度、強度和韋伯模數(shù)（強度分布的模數(shù)）的變化情況，并指出了晶粒的縱橫比與斷裂韌性之間的關系，實現(xiàn)了碳化硅陶瓷微觀組織的原位控制技術。

4.結語

碳化硅材料因其優(yōu)良的性能而得到越來越廣泛的應用，不同制備工藝制得的產品性能有一定的差別。反應燒結法具有燒結溫度低的優(yōu)點，但燒結過程中會在坯體中留有部分殘余硅，使材料的服役溫度下降。液相燒結可以制備出不含殘余硅的碳化硅陶瓷，但由于碳化硅的強共價鍵性，必須在坯體中加入氧化鋁等作為燒結助劑形成液相才能使碳化硅坯體致密化。熱壓燒結、熱等靜壓燒結和火花等離子體燒結碳化硅性能較高，其密度和強度通常要高于無壓燒結，但在燒結過程也都需要加入B、C等作為添加劑促進坯體的燒結致密化且生產成本高，不適于制備異型件。可以實現(xiàn)工業(yè)化生產，滿足工業(yè)和工程應用領域對相關材料日益苛刻的性能要求。

【參考文獻】

[1]周平，王泌寶，李曉麗，等.碳化硅致密陶瓷材料研究進展[J].中國陶瓷，2012，（4）.

[2]陸有軍，王燕民，吳瀾爾.碳/碳化硅陶瓷基復合材料的研究及應用進展[J].材料導報，2010，（11）.