浅谈碳化硅陶瓷的六种烧结工艺

      碳化硅陶瓷具有高硬度、高熔点、高耐磨性和耐腐蚀性,以及优良的抗氧化性、高温强度、化学稳定性、抗热震性、导热性和气密性等优点,应用范围广泛。
目前,碳化硅陶瓷的烧结方法主要有热压烧结、无压烧结、反应烧结、再结晶烧结、微波烧结和放电等离子烧结。

热压烧结
      热压烧结是将碳化硅粉末置于模具内,在加热的同时施加20~50MPa的轴向压力,有利于增加颗粒间的接触、扩散和流动,加速烧结过程中的重排和致密化。
热压烧结工艺简单,产品密度高,可达到理论密度的99%以上。由于热压烧结温度较低,晶粒长大受到抑制,烧结后的晶粒细小而牢固。但热压烧结设备复杂,模具材料要求高,生产工艺要求严格,只适合制备形状简单的零件,且能耗大,生产效率低,生产成本高。

无压烧结
      碳化硅的无压烧结过程可分为固相烧结和液相烧结。
固相烧结的主要缺点是:要求烧结温度高(>2000℃),要求原料纯度高,烧结体断裂韧性低,裂纹强度敏感性强,表现为晶粒粗大,组织均匀性差,断裂方式典型穿晶断裂。近年来,国内外对碳化硅陶瓷的研究主要集中在液相烧结。
液相烧结的实现是基于一定数量的多元共晶氧化物烧结添加剂,如Y2O3二元、三元添加剂可以使SiC及其复合材料呈现液相烧结,在较低温度下实现致密化,同时由于引入了液相在晶界和独特的界面结合强度减弱,使陶瓷材料的断裂方式转变为沿晶断裂模式,从而使陶瓷材料的断裂韧性得到显著提高。

反应烧结
      反应烧结法制备碳化硅的工艺是在碳化硅粉末中预混适量的含碳材料,利用碳化硅粉末中的残余硅与碳的高温反应合成新的碳化硅,从而形成结构致密的碳化硅陶瓷。
反应烧结法具有烧结温度低、烧结时间短、近净尺寸成形等优点,是制备大尺寸、形状复杂的碳化硅陶瓷的最有效方法。然而,反应烧结容易出现烧结制品密度不均、烧结制品易开裂、烧结过程中硅渗透不足等问题。而且,这种烧结工艺对原料要求高,能耗高,生产成本高。

再结晶烧结
      再结晶碳化硅陶瓷材料是将不同粒径的碳化硅颗粒在一个柱状分级后制成的坯料,晶粒在板坯中的细颗粒可以均匀分布在粗大的颗粒孔隙之间,然后在2100℃以上的高温和一定的气流保护下流动,碳化硅细颗粒在蒸发冷凝后逐渐接触点沉淀,直至细颗粒完全消失。由于这种蒸发-冷凝机制,在颗粒的颈部形成新的晶界,导致细颗粒的迁移,并在大颗粒与具有一定孔隙率的烧结体之间形成桥梁结构。
尽管颈部有明显的生长过程,这种陶瓷材料不会收缩。所以在烧结过程中其产品的密度并没有变化,所以其强度相对较低。但其优点是陶瓷材料在烧结过程中不需要任何烧结助剂,烧结体为单晶硅相,具有优异的抗氧化性能。同时,烧结工艺可生产出尺寸精度高、无变形的大型产品。

微波烧结
      与传统的烧结工艺相比,微波烧结是利用材料在微波电磁场中的介电损耗,将整个材料加热到烧结温度,实现烧结和致密化。与传统的烧结方法相比,微波烧结具有烧结温度低、加热速度快、材料密度好等优点,同时,微波烧结加速了材料的传质过程,从而获得了细晶粒材料。

放电等离子烧结
      放电等离子烧结技术是一种制备块状材料的粉末冶金新技术。它利用高能电火花在较低的温度和较短的时间内完成样品的烧结过程。可用于制备金属材料、陶瓷材料和复合材料。在烧结过程中,颗粒与高温等离子体之间的瞬时放电可以破碎或去除粉末颗粒表面的杂质(如氧化膜)和吸附气体,活化粉末颗粒表面,提高烧结质量和效率。
采用放电等离子烧结技术,采用Al2O3和Y2O3促进剂快速烧结SiC粉体,获得致密的SiC陶瓷。

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