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        碳化硅陶瓷材料研究的制備與應(yīng)用探討

        2013-07-05 05:27:52李斌

        李斌

        【摘 要】針對(duì)碳化硅陶瓷材料研究的制備與應(yīng)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(yīng)燒結(jié)法,無壓燒結(jié)法和液相燒結(jié)法,總結(jié)碳化硅材料以其優(yōu)異的性能,介紹了它的應(yīng)用范圍,展望了碳化硅陶瓷材料的發(fā)展趨勢(shì)。

        【關(guān)鍵詞】碳化硅陶瓷;陶瓷材料;陶瓷燒結(jié);燒結(jié)法

        0.引言

        由于碳化硅陶瓷具有超硬性能,又具有高溫強(qiáng)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(dǎo)率高、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn),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(yīng)用于機(jī)械制造加工行業(yè)。它還可以應(yīng)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(shù)已應(yīng)用于火箭技術(shù)中。同時(shí)在航空、航天、汽車、機(jī)械、石化、冶金和電子等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)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(jī)機(jī)腹及防彈防刺衣等。由于碳化硅產(chǎn)品具有操作簡(jiǎn)單方便,使用壽命長(zhǎng),使用范圍廣等優(yōu)點(diǎn),使碳化硅產(chǎn)品的市場(chǎng)發(fā)展前景廣闊,因此受到很多國(guó)家的重視,一直是材料學(xué)界研究的重點(diǎn),如何制得高致密度的碳化硅陶瓷也是研究者一直關(guān)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(guān)性,本文對(duì)碳化硅陶瓷的制備方法及其應(yīng)用進(jìn)行了介紹。

        1.反應(yīng)燒結(jié)法制備陶瓷與應(yīng)用

        反應(yīng)燒結(jié)法也可稱為活化燒結(jié)或強(qiáng)化燒結(jié)法。需要指出活化燒結(jié)和強(qiáng)化燒結(jié)的機(jī)理有所不同?;罨療Y(jié)的過程是指可以降低燒結(jié)活化能,使體系的燒結(jié)可以在較低的溫度下以較快速度進(jìn)行,并且使得燒結(jié)體性能得到提高的燒結(jié)方法。而強(qiáng)化燒結(jié)的過程泛指能增加燒結(jié)速率,或強(qiáng)化燒結(jié)體性能(通過合金化或者抑制晶粒長(zhǎng)大)的所有燒結(jié)過程??梢娝鼈兊闹苽錂C(jī)理是存在差異的。反應(yīng)燒結(jié)強(qiáng)調(diào)反應(yīng),這是一種化學(xué)過程,也就是有一種物質(zhì)變成另外一種物質(zhì),例如,在制備碳化硅的過程中,就會(huì)在確定的溫度下發(fā)生Si+C→SiC 的化學(xué)反應(yīng)。這種反應(yīng)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(nèi)部與碳反應(yīng)生成碳化硅。這一機(jī)理的探討源于上世紀(jì)七十年代,當(dāng)時(shí)由于世界范圍內(nèi)的石油危機(jī),能源問題對(duì)世界各國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來巨大的挑戰(zhàn),為了提高內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的效率,科學(xué)家們開始考慮使用高溫陶瓷材料替代內(nèi)燃機(jī)的金屬部件,這樣就可以提高效率。在1973年,英國(guó)人KennedyP和ShennanJV等開始了反應(yīng)燒結(jié)制備碳化硅的深入研究[1],1978年,英國(guó)劍橋大學(xué)的SawyerGR等人采用掃描電鏡、透射電鏡、光學(xué)顯微鏡和 X 射線衍射等手段對(duì)反應(yīng)燒結(jié)碳化硅的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一系列的定量表征[2],從碳化硅的制備機(jī)理給與了探討;1990年,日本的LimCB等人研究了反應(yīng)燒結(jié)碳化硅中強(qiáng)度、氣孔率與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系,隨著研究的進(jìn)一步深入,反應(yīng)燒結(jié)碳化硅產(chǎn)品開始逐步走向商業(yè)化。

        2.無壓燒結(jié)法制備陶瓷與應(yīng)用

        無壓燒結(jié)法是在常壓條件,也就是在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的惰性氣體氣氛中進(jìn)行燒結(jié)。這種燒結(jié)可以把粉狀物料轉(zhuǎn)變?yōu)橹旅荏w,這是一個(gè)傳統(tǒng)的工藝過程。人類很早就開始利用這個(gè)工藝來生產(chǎn)陶瓷、粉末冶金、耐火材料、超高溫材料等。我國(guó)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(jīng)過成型后,通過燒結(jié)得到的致密體是一種多晶材料,其顯微結(jié)構(gòu)由晶體、玻璃體和氣孔組成。給人類美的享受。它的燒結(jié)過程直接影響顯微結(jié)構(gòu)中的晶粒尺寸、氣孔尺寸及晶界形狀和分布。無機(jī)材料的性能不僅與材料組成(化學(xué)組成與礦物組成)有關(guān),還與材料的顯微結(jié)構(gòu)有密切的關(guān)系。但這種燒結(jié)方法只停留在觀賞。在1956年,美國(guó)的AlliegroRA等人發(fā)現(xiàn),加入某一物質(zhì)可以使熱壓燒結(jié)碳化硅中發(fā)生促進(jìn)燒結(jié)的作用,此后,實(shí)驗(yàn)證實(shí),許多物質(zhì)如:Al、Fe、Cr、Ca、Ni、Al+Fe、Zr和Mn等能夠促進(jìn)碳化硅的燒結(jié)過程。1975年,Prochazka S 等人在碳化硅坯體中加入不同的兩種物質(zhì),通過無壓固相燒結(jié)成功制備出碳化硅陶瓷。ProchazkaS等人的實(shí)驗(yàn)采用的是高純的亞微米級(jí)β-SiC粉體,并在其中加入少量不同的兩種物質(zhì),他們的研究結(jié)果對(duì)無壓燒結(jié)法的機(jī)理帶來了重要的影響因素,實(shí)驗(yàn)證明碳化硅的坯體通過固相燒結(jié)致密化,β-SiC在燒結(jié)過程中產(chǎn)生相變并發(fā)生晶粒長(zhǎng)大,這種晶粒的大小與陶瓷的強(qiáng)度有關(guān)。由于碳化硅是高熔點(diǎn)的強(qiáng)共價(jià)鍵材料,這項(xiàng)研究結(jié)果報(bào)道后引起了許多研究者大量的關(guān)注,并且對(duì)碳化硅燒結(jié)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(zhì)對(duì)β-SiC的燒結(jié)促進(jìn)作用同樣適用于α-SiC。因此,使大部分碳化硅陶瓷產(chǎn)品得到大量應(yīng)用。

        3.液相燒結(jié)法制備陶瓷與應(yīng)用

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

        與添加不同的兩種物質(zhì)的碳化硅固相燒結(jié)不同的是,利用液相燒結(jié)過程中需要燒結(jié)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(jié)完成后的晶間相中仍然會(huì)殘留較多的氧化物。因此,液相燒結(jié)碳化硅的斷裂方式通常是沿晶斷裂,具有較高的強(qiáng)度和斷裂韌性。ShinozakiSS和SuzukiK等人通過加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)不低于3%的Al2O3,分別采用無壓燒結(jié)和無壓燒結(jié)與熱等靜壓相結(jié)合的辦法,系統(tǒng)地研究了它們的組織和力學(xué)性能。通過一系列不同的燒結(jié)制度,研究了晶粒生長(zhǎng)、密度、強(qiáng)度和韋伯模數(shù)(強(qiáng)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(guān)系,實(shí)現(xiàn)了碳化硅陶瓷微觀組織的原位控制技術(shù)。

        4.結(jié)語

        碳化硅材料因其優(yōu)良的性能而得到越來越廣泛的應(yīng)用,不同制備工藝制得的產(chǎn)品性能有一定的差別。反應(yīng)燒結(jié)法具有燒結(jié)溫度低的優(yōu)點(diǎn),但燒結(jié)過程中會(huì)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(jié)可以制備出不含殘余硅的碳化硅陶瓷,但由于碳化硅的強(qiáng)共價(jià)鍵性,必須在坯體中加入氧化鋁等作為燒結(jié)助劑形成液相才能使碳化硅坯體致密化。熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)和火花等離子體燒結(jié)碳化硅性能較高,其密度和強(qiáng)度通常要高于無壓燒結(jié),但在燒結(jié)過程也都需要加入B、C等作為添加劑促進(jìn)坯體的燒結(jié)致密化且生產(chǎn)成本高,不適于制備異型件??梢詫?shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn),滿足工業(yè)和工程應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ο嚓P(guān)材料日益苛刻的性能要求。

        【參考文獻(xiàn)】

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

        [2]陸有軍,王燕民,吳瀾爾.碳/碳化硅陶瓷基復(fù)合材料的研究及應(yīng)用進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào),2010,(11).

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