碳化硅陶瓷材料具有高溫力學(xué)強(qiáng)度大、硬度高、抗氧化性能強(qiáng),、抗輻射性能好、耐磨性好,、熱穩(wěn)定性佳、熱膨脹系數(shù)小,、耐化學(xué)腐蝕性好等優(yōu)異特性,，在工業(yè)機(jī)械、國防軍工,、半導(dǎo)體,、環(huán)保、核能等諸多領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景,。
碳化硅陶瓷制品
來源：山東金鴻
目前碳化硅陶瓷的制備技術(shù)主要有反應(yīng)燒結(jié),、常壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié),、熱等靜壓燒結(jié),、放電等離子燒結(jié)、振蕩壓力燒結(jié),。
1. 反應(yīng)燒結(jié)
反應(yīng)燒結(jié)碳化硅的工藝流程首先是將碳源和碳化硅粉進(jìn)行混合,，經(jīng)注漿成型，干壓或冷等靜壓成型制備出坯體,，然后進(jìn)行滲硅反應(yīng),，即在真空或惰性氣氛下將坯體加熱至1500℃以上，固態(tài)硅熔融成液態(tài)硅,，通過毛細(xì)管作用滲入含氣孔的坯體。液態(tài)硅或硅蒸氣與坯體中C之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng),，原位生成的 β-SiC 與坯體中原有 SiC 顆粒結(jié)合,，形成反應(yīng)燒結(jié)碳化硅陶瓷材料。
碳化硅坯體反應(yīng)燒結(jié)流程圖
來源：粉體網(wǎng)
反應(yīng)燒結(jié)碳化硅性能關(guān)鍵主要在于碳源的尺寸及種類,、碳化硅原料的粒徑,、坯體的孔隙率、燒結(jié)溫度及保溫時間等因素。反應(yīng)燒結(jié)碳化硅的優(yōu)勢是燒結(jié)溫度低,、生產(chǎn)成本低,、材料致密化程度較高，特別是反應(yīng)燒結(jié)過程中幾乎不產(chǎn)生體積收縮,，特別適合大尺寸復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)件的制備,，其典型應(yīng)用產(chǎn)品包括高溫窯具材料、輻射管,、熱交換器,、脫硫噴嘴等。
2. 常壓燒結(jié)
常壓燒結(jié)碳化硅是在不施加外部壓力的情況下,，通過添加合適的燒結(jié)助劑,，在 2000～2150℃ 溫度間，可對不同形狀和尺寸的樣品進(jìn)行致密化燒結(jié),。
根據(jù)燒結(jié)助劑形態(tài)的不同,，碳化硅常壓燒結(jié)可分固相燒結(jié)和液相燒結(jié)兩種工藝，其中:
固相燒結(jié)可采用B和C作為燒結(jié)助劑,，其他燒結(jié)助劑還包括 B4C + C,、BN + C、BP + C,、AlB2 + C 等,，固相燒結(jié)碳化硅能夠達(dá)到較高的致密度 3.10 ～ 3.15 g /cm3，且沒有晶間的玻璃相,，擁有出色的高溫力學(xué)性能,，其使用溫度可達(dá)到 1600℃。但是如果固相燒結(jié)碳化硅的燒結(jié)溫度過高則可能導(dǎo)致其晶粒過大而降低材料的抗彎強(qiáng)度,。
液相燒結(jié)一般以一定數(shù)量的多元低共熔氧化物為燒結(jié)助劑,，在較低溫度下實(shí)現(xiàn)了 SiC 的致密化。由于燒結(jié)溫度較低,，其晶粒不易長大,，呈細(xì)小均勻等軸狀，同時由于晶界液相的引入和獨(dú)特的界面結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了界面結(jié)合弱化,，材料的斷裂也變?yōu)橥耆难鼐嗔涯Ｊ�,，結(jié)果使得材料的強(qiáng)度和韌性顯著提高。
常壓燒結(jié)碳化硅工藝技術(shù)已較為成熟,，其優(yōu)勢在于可采用多種成型工藝,，生產(chǎn)成本較低，對產(chǎn)品的形狀尺寸沒有限制,，在適當(dāng)添加劑的作用下可以獲得較高的強(qiáng)度及韌性,，其工業(yè)典型產(chǎn)品包括耐磨損耐腐蝕的密封環(huán),、滑動軸承等。
常壓燒結(jié)碳化硅產(chǎn)品
來源：CNKI
3. 熱壓燒結(jié)
熱壓燒結(jié)是將干燥的碳化硅粉料填充進(jìn)高強(qiáng)石墨模具內(nèi),，在升溫的同時施加一個軸向壓力,，在合適的壓力-溫度-時間工藝條件控制下，實(shí)現(xiàn)碳化硅的燒結(jié)成型,。熱壓燒結(jié)由于加熱加壓同時進(jìn)行,，粉料處于熱塑性狀態(tài)，有助于顆粒的接觸擴(kuò)散,、流動傳質(zhì)過程的進(jìn)行,，能在較低的燒結(jié)溫度，較短的燒結(jié)時間,，得到晶粒細(xì)小,、相對密度高和力學(xué)性能良好的碳化硅陶瓷產(chǎn)品。但該工藝的缺陷主要在于設(shè)備及工藝復(fù)雜,，模具材料要求高,，只能制備簡單形狀的零件，生產(chǎn)效率較低,，生產(chǎn)成本高,，所以其產(chǎn)品應(yīng)用較少，主要適用于一些特殊要求的場合,。
4. 熱等靜壓燒結(jié)
熱等靜壓燒結(jié)（HIP）是使材料（粉末,、素坯或燒結(jié)體）在加熱過程中經(jīng)受各項(xiàng)均衡壓力，以惰性氣體氬氣或氮?dú)庾鳛閭鲏航橘|(zhì),，借助于高溫高壓的共同作用促進(jìn)致密化的工藝,。
熱等靜壓燒結(jié)技術(shù)可在較低的燒結(jié)溫度下，以及較短的時間內(nèi)制備出各項(xiàng)完全同性,、微觀結(jié)構(gòu)均勻,、晶粒較細(xì)且完全致密的材料；可制備形狀復(fù)雜的產(chǎn)品,，特別是在制備納米材料時對粉體的要求不高,，甚至團(tuán)聚嚴(yán)重的粉體也可用于納米陶瓷的制備；能精確控制制品的最終尺寸,，得到的制品只需要很少的精加工甚至無需加工就能使用,。但 HIP 燒結(jié)的突出缺點(diǎn)是封裝技術(shù)壁壘高，設(shè)備的投資成本和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用都較高,，阻礙了該工藝的廣泛應(yīng)用,。
5. 放電等離子燒結(jié)
放電等離子燒結(jié)(SPS)碳化硅是近十年發(fā)展起來的，首先將原料放置于石墨模具中,，然后快速升溫并對坯體施加單軸加壓和直流脈沖電流,，在短時間內(nèi)就可以完成燒結(jié)。
放電等離子燒結(jié)相較常規(guī)燒結(jié)技術(shù)制備高致密度碳化硅陶瓷,，加熱速率更快,，所需的燒結(jié)溫度更低，燒結(jié)時間更短,，因此往往可以制備出納米碳化硅材料,。
SPS 燒結(jié)裝置示意圖
來源：CNKI
6. 閃燒
閃燒是指在加熱爐中加熱時，通過在樣品上直接施加電壓,。一旦達(dá)到一定的閾值溫度,，電流的突然非線性增加快速產(chǎn)生焦耳熱，樣品可以在幾秒鐘內(nèi)迅速產(chǎn)生致密化,，具有能耗低,、燒結(jié)速度超快等優(yōu)點(diǎn)。
7. 振蕩壓力燒結(jié)
燒結(jié)過程中引入動態(tài)壓力有利于打破顆粒中的自鎖和團(tuán)聚現(xiàn)象,，減少氣孔,、團(tuán)聚等缺陷的數(shù)量和尺寸，從而獲得高致密度,、細(xì)晶粒尺寸的均勻顯微結(jié)構(gòu),，制備出高強(qiáng)度高可靠性的結(jié)構(gòu)陶瓷材料。
振蕩壓力燒結(jié)技術(shù)的優(yōu)勢在于：可以通過連續(xù)振蕩壓力產(chǎn)生的顆粒重排顯著提高燒結(jié)前粉體的堆積密度,；另振蕩壓力為粉體燒結(jié)提供了更大的燒結(jié)驅(qū)動力,，更加有利于促進(jìn)燒結(jié)體內(nèi)晶粒旋轉(zhuǎn)和滑移、塑性流動而加快坯體的致密化,，尤其是燒結(jié)進(jìn)入后期,，通過調(diào)節(jié)振蕩壓力的頻率和大小，排除晶界處的殘余微小氣孔,，進(jìn)而完全消除材料內(nèi)部的殘余孔隙,。
振蕩壓力燒結(jié)設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖
來源：CNKI
