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）.