楊新領(lǐng)　鄭奔　李志強　鄭浦

摘 要：以B4C為燒結(jié)助劑無壓燒結(jié)制備碳化硅陶瓷。研究了燒結(jié)溫度與碳化硅燒結(jié)體密度、三點抗彎強度、維氏硬度之間的關(guān)系，并對不同溫度下制備的碳化硅陶瓷進行了顯微結(jié)構(gòu)形貌觀察。結(jié)果表明：當燒結(jié)溫度在2 100 ℃附近時，碳化硅陶瓷的密度達到3.16 g/cm3，相對密度超過98%，微觀形貌觀察均勻致密，三點抗彎強度達到500 MPa，維氏硬度為2 750，具有較好的力學性能。

關(guān)鍵詞：碳化硅陶瓷 無壓燒結(jié) 顯微結(jié)構(gòu) 性能

中圖分類號：TQ174 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）01（c）-0054-03

碳化硅是一種共價鍵化合物，具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、低密度、高溫強度高等優(yōu)異性能，被用于制備碳化硅陶瓷廣泛用于密封環(huán)、耐磨噴嘴、軸承、防彈板、熱交換器、高導熱大規(guī)模集成電路的基片、火箭噴嘴等各種耐磨、耐熱、耐腐蝕制品[1-2]。為了提高碳化硅陶瓷的應用性能，碳化硅陶瓷的制備工藝及工藝參數(shù)的優(yōu)化研究一直是陶瓷材料工作者的研究熱點，比如通過選取不同的燒結(jié)助劑、改變成型方法和工藝、改變燒結(jié)配方和工藝等等[3-6]。該文以B4C為燒結(jié)助劑，采用已工業(yè)化應用的無壓燒結(jié)工藝，研究燒結(jié)溫度與碳化硅陶瓷密度、微觀形貌以及抗彎強度、維氏硬度等力學性能的關(guān)系，為工業(yè)制備碳化硅陶瓷選擇燒結(jié)溫度提供依據(jù)[7-8]。

1 實驗

1.1 實驗過程

實驗中選用D50為0.5 μm的碳化硼作為燒結(jié)助劑，水溶性樹脂為粘結(jié)劑。按碳化硅90 wt.%、粘結(jié)劑8 wt.%，其他添加劑2 wt.%的比例取料，球磨混勻后放入金屬模具中壓制成3 mm×4 mm×36 mm的長方體素坯。將壓制好的素坯放入石墨坩堝中，然后將坩堝放入燒結(jié)爐，于氬氣保護氣氛下升溫燒結(jié)。燒結(jié)過程分脫粘、燒結(jié)和降溫冷卻3個階段。脫粘溫度為600 ℃～800 ℃，時間為1 h。燒結(jié)過程通過設(shè)定不同的燒結(jié)溫度進行燒結(jié)，保溫時間均為45 min。后自然冷卻至室溫。

1.2 性能檢測

利用阿基米德原理測量試樣的燒結(jié)密度，在INSTRON-5566萬能材料試驗機測量三點抗彎強度，試樣規(guī)格為3 mm×4 mm×36 mm，跨距20 mm，加載速率為0.5 mm/min。每種樣品端面拋光后檢測維氏硬度，并采用PHILIPS-FEI公司生產(chǎn)的Quanta 600F場發(fā)射掃描電子顯微鏡進行斷面的微觀形貌觀察。

2 結(jié)果與討論

相同的素坯制備工藝，不同燒結(jié)溫度下獲得的碳化硅燒結(jié)體性能數(shù)據(jù)如圖1～圖4所示。其中，圖1為燒結(jié)溫度與碳化硅燒結(jié)體密度的關(guān)系，圖2為燒結(jié)溫度與碳化硅燒結(jié)體抗彎強度、硬度的關(guān)系，圖3為不同燒結(jié)溫度下碳化硅陶瓷斷口的微觀形貌。

從圖1可以看出，隨著燒結(jié)溫度的升高，碳化硅燒結(jié)體的密度隨著燒結(jié)溫度的升高而迅速增加，在2 150 ℃附近燒結(jié)體密度達到最高，達到3.16 g/cm3，相對密度超過98%（理論密度3.21 g/cm3）。然后隨著溫度的升高，密度反而趨于下降。說明燒結(jié)溫度過高和過低，都影響燒結(jié)體的致密程度。燒結(jié)體的致密程度直接影響其抗彎強度、硬度等力學性能，對照圖1與圖2、3可以看到，碳化硅陶瓷的抗彎強度與硬度隨燒結(jié)溫度的變化關(guān)系與密度-燒結(jié)溫度曲線的趨勢一致。當燒結(jié)溫度未達到最佳燒結(jié)溫度時，燒結(jié)體的密度、強度、硬度數(shù)值均比較低。隨著燒結(jié)溫度的逐步升高，所有指標均有所上升，并在2 150 ℃附近達到最大值。當超過2 150 ℃后，隨著燒結(jié)溫度的繼續(xù)升高，各項性能指標反而有所下降。碳化硅陶瓷的強度主要取決于碳化硅晶粒的尺寸、形貌和分布。當溫度升高時，斷裂機理由脆性斷裂為主逐漸向亞臨界裂紋擴展轉(zhuǎn)變。在裂紋沿晶晃擴展的沿品斷裂模式下，亞臨界裂紋擴展的阻礙作用源于晶界相，由晶界相的性能決定。當溫度進一步升高到晶界相的軟化點時，會出現(xiàn)晶界滑移和空位的形成（蠕變裂紋生長）。對所有碳化硅陶瓷而言，強度對溫度的依賴關(guān)系都是相似的，所不同的只是亞臨界裂紋擴展和蠕變裂紋生長的起始溫度不同，而這是由晶界相的化學特性所決定的。

采用掃描電鏡進行斷口微觀形貌觀察可發(fā)現(xiàn)，燒結(jié)溫度為2 050 ℃時斷面的晶粒細小，但氣孔較多，在2 100 ℃時斷面氣孔最少，達到最大致密化；2 150 ℃時氣孔較少，但晶粒開始長大，2 200 ℃燒結(jié)時，氣孔增多，晶粒開始粗大化。根據(jù)燒結(jié)初期眾多的雙球模型及燒結(jié)中期的正十四面體的顯微結(jié)構(gòu)模型，較小的晶粒尺寸認為有助于燒結(jié)的致密化，晶粒生長不利于燒結(jié)體的致密化。因此燒結(jié)溫度的控制至關(guān)重要，溫度過低，顆粒間的反應的動力不足，收縮和反應動力不足，氣孔不易及時排除，從而氣孔較多，致密度較低；溫度過高，燒結(jié)驅(qū)動力加大，晶粒收縮動力不一致，個別晶粒開始異常長大，氣孔從而增加，所以溫度控制在2 100 ℃最為合適。

3 結(jié)論

（1）碳化硅陶瓷的密度與燒結(jié)溫度緊密相關(guān)。當燒結(jié)溫度為2 100 ℃時，碳化硅陶瓷密度達到3.16 g/cm3，相對密度超過98%。（2）碳化硅陶瓷的抗彎強度和維氏硬度與燒結(jié)溫度的關(guān)系曲線和密度變化趨勢一致，當達到最佳燒結(jié)溫度2 100 ℃，三點抗彎強度達到500 MPa，維氏硬度為2 750，具有較好的力學性能。（3）斷口形貌SEM照片顯示出，燒結(jié)溫度偏低時，碳化硅陶瓷的孔隙較多，密度較低；燒結(jié)溫度過高，晶粒異常長大導致結(jié)構(gòu)疏松，密度下降，力學性能降低。對于密度以及抗彎強度和硬度數(shù)值，最佳燒結(jié)溫度均為 2 100 ℃。

參考文獻

[1] 柴威，鄧乾發(fā)，王羽寅，等.碳化硅陶瓷的應用現(xiàn)狀[J].輕工機械，2014，30（4）：117-120.

[2] WANG I，SNIDLE R W，GU L.Rolling contact silicon nitride bearing technology：a review of recent research[J].Wear，2000，246（1-2）：159-173.

[3] 武七德，孫峰，吉曉莉，等.用低純碳化硅微粉燒結(jié)碳化硅陶瓷[J].硅酸鹽學報，2006，34（1）：60-64.

[4] 張翠萍，茹紅強，岳新艷，等.反應燒結(jié)碳化硅制備碳化硅/B4C復合材料的研究[J].稀有金屬材料與工程，2011，40（S1）：536-539.

[5] 王艷香，譚壽洪，江東亮.反應燒結(jié)碳化硅的研究與進展[J].無機材料學報，2004，19（3）：456-462.

[6] 王春華，王改民.常壓燒結(jié)碳化硅陶瓷的制備及導電性能[J].中國陶瓷，2008，44（7）：52-53.

[7] 李志強，李祥云，馬奇，等.噴霧造粒技術(shù)在反應燒結(jié)SiC密封材料中的應用研究[J].浙江大學學報，2007，35 （7）：40-43.

[8] 吳瀾爾，江涌，喬發(fā)鵬.燒結(jié)溫度對碳化硅陶瓷力學性能的影響[J].粉末冶金技術(shù)，2010，28（1）：58-60.

[9] 代建清，馬天，張立明，等.粉料表面氧含量對GPS燒結(jié)氮化硅陶瓷顯微結(jié)構(gòu)的影響[J].稀有金屬材料與工程， 2005，34（2）：189-193.