1、無壓燒結(jié)

 

1974年美國GE公司通過在高純度β－SiC細(xì)粉中同時(shí)加入少量的B和C，采用無壓燒結(jié)工藝，于2020℃成功地獲得高密度SiC陶瓷。目前，該工藝已成為制備SiC陶瓷的主要方法。

 

最近，有研究者在亞微米SiC粉料中加入Al2O3和Y2O3，在1850℃～2000℃溫度下實(shí)現(xiàn)SiC的致密燒結(jié)。由于燒結(jié)溫度低而具有明顯細(xì)化的微觀結(jié)構(gòu)，因而，其強(qiáng)度和韌性大大改善。

 

2、熱壓燒結(jié)

 

50年代中期，美國Norton公司就開始研究B、Ni、Cr、Fe、Al等金屬添加物對SiC熱壓燒結(jié)的影響。實(shí)驗(yàn)表明：Al和Fe是促進(jìn)SiC熱壓致密化的最有效的添加劑。有研究者以Al2O3為添加劑，通過熱壓燒結(jié)工藝，也實(shí)現(xiàn)了SiC的致密化，并認(rèn)為其機(jī)理是液相燒結(jié)。此外，還有研究者分別以B4C、B或B與C，Al2O3和C、Al2O3和Y2O3、Be、B4C與C作添加劑，采用熱壓燒結(jié)，也都獲得了致密SiC陶瓷。

 

3、熱等靜壓燒結(jié)

 

近年來，為進(jìn)一步提高SiC陶瓷的力學(xué)性能，研究人員進(jìn)行了SiC陶瓷的熱等靜壓工藝的研究工作。研究人員以B和C為添加劑，采用熱等靜壓燒結(jié)工藝，在1900℃便獲得高密度SiC燒結(jié)體。更進(jìn)一步，通過該工藝，在2000℃和138MPa壓力下，成功實(shí)現(xiàn)無添加劑SiC陶瓷的致密燒結(jié)。研究表明：當(dāng)SiC粉末的粒徑小于0．6μm時(shí)，即使不引入任何添加劑，通過熱等靜壓燒結(jié)，在1950℃即可使其致密化。

 

4、反應(yīng)燒結(jié)

 

SiC的反應(yīng)燒結(jié)法最早在美國研究成功。反應(yīng)燒結(jié)的工藝過程為：先將α－SiC粉和石墨粉按比例混勻，經(jīng)干壓、擠壓或注漿等方法制成多孔坯體。在高溫下與液態(tài)Si接觸，坯體中的C與滲入的Si反應(yīng)，生成β－SiC，并與α－SiC相結(jié)合，過量的Si填充于氣孔，從而得到無孔致密的反應(yīng)燒結(jié)體。反應(yīng)燒結(jié)SiC通常含有8％的游離Si。因此，為保證滲Si的完全，素坯應(yīng)具有足夠的孔隙度。一般通過調(diào)整最初混合料中α－SiC和C的含量，α－SiC的粒度級配，C的形狀和粒度以及成型壓力等手段來獲得適當(dāng)?shù)乃嘏髅芏取?/p>

 

綜述：實(shí)驗(yàn)表明，采用無壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)和反應(yīng)燒結(jié)的SiC陶瓷具有各異的性能特點(diǎn)。假如就燒結(jié)密度和抗彎強(qiáng)度來說，熱壓燒結(jié)和熱等靜壓燒結(jié)SiC陶瓷相對較高，反應(yīng)燒結(jié)SiC相對較低。另一方面，SiC陶瓷的力學(xué)性能還隨燒結(jié)添加劑的不同而不同。無壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)和反應(yīng)燒結(jié)SiC陶瓷對強(qiáng)酸、強(qiáng)堿具有良好的抵抗力，但反應(yīng)燒結(jié)SiC陶瓷對HF等超強(qiáng)酸的抗蝕性較差。就耐高溫性能比較來看，當(dāng)溫度低于900℃時(shí)，幾乎所有SiC陶瓷強(qiáng)度均有所提高；當(dāng)溫度超過1400℃時(shí)，反應(yīng)燒結(jié)SiC陶瓷抗彎強(qiáng)度急劇下降。（這是由于燒結(jié)體中含有一定量的游離Si，當(dāng)超過一定溫度抗彎強(qiáng)度急劇下降所致）對于無壓燒結(jié)和熱等靜壓燒結(jié)的SiC陶瓷，其耐高溫性能主要受添加劑種類的影響。

 

碳化硅陶瓷的應(yīng)用

 

由于碳化硅陶瓷所具有的高硬度、高耐腐蝕性以及較高的高溫強(qiáng)度，使得碳化硅陶瓷得到了廣泛的應(yīng)用。主要有以下幾個方面：

 

密封環(huán)：碳化硅陶瓷的耐化學(xué)腐蝕性好、強(qiáng)度高、硬度高，耐磨性能好、摩擦系數(shù)小，且耐高溫，因而是制造密封環(huán)的理想材料。它與石墨材料組合配對時(shí)，其摩擦系數(shù)比氧化鋁陶瓷和硬質(zhì)合金小，因而可用于高PV值，特別是輸送強(qiáng)酸、強(qiáng)堿的工況中使用。

 

研磨介質(zhì)：碳化硅陶瓷由于其高硬度的特點(diǎn)而廣泛用于耐磨機(jī)械零件中，特別是球磨機(jī)中的研磨介質(zhì)（磨介）。球磨機(jī)中所用的磨介對研磨效率有著重要的影響，其基本要求是硬度高、韌性好，以保證研磨效率高、摻雜少的要求。

 

防彈板：碳化硅陶瓷由于硬度高、比重小、彈道性能較好、價(jià)格較低，而廣泛用于防彈裝甲中，如車輛、艦船的防護(hù)以及民用保險(xiǎn)柜、運(yùn)鈔車的防護(hù)中。碳化硅陶瓷的彈道性能優(yōu)于氧化鋁陶瓷，約為碳化硼陶瓷的70-80%，但由于價(jià)格較低，特別適合用于用量大，且防護(hù)裝甲不能過厚、過重的場合。

 

噴嘴：作噴嘴的陶瓷材料有多種，常用的是氧化鋁、碳化硅和碳化硼陶瓷等。氧化鋁陶瓷噴嘴的價(jià)格低，但由于硬度低，其耐磨性較差，多用于噴砂工作量不大的場合。碳化硅陶瓷的使用壽命是氧化鋁陶瓷的３－５倍，與硬質(zhì)合金相當(dāng)，多用于硬質(zhì)合金的替代品，特別是在手持噴***的工況中使用。

 

磁力泵泵件：隨著工業(yè)化的發(fā)展，特別是ISO14000國際標(biāo)準(zhǔn)的貫徹執(zhí)行，對不利于環(huán)境保護(hù)液體的輸運(yùn)提出了更高的要求。磁力泵由于采用靜密封代替機(jī)械密封、填料密封等動密封，因而泄漏更小、可靠性更高、使用壽命更長。

 

高溫耐蝕部件：碳化硅陶瓷最重要的特性之一是它的高溫強(qiáng)度，即在1600oC時(shí)強(qiáng)度基本不降低，且抗氧化性能非常好，因而可在高溫結(jié)構(gòu)件中使用。如高溫爐的頂板、支架，以及高溫實(shí)驗(yàn)用的卡具等。

 

小結(jié)：SiC陶瓷在許多工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用顯示了優(yōu)良的性能，因而引起了人們的普遍重視。在無機(jī)非金屬材料領(lǐng)域中SiC陶瓷是一個很大的家族，其觸角幾乎伸遍了所有的工業(yè)領(lǐng)域。但是由于SiC陶瓷的難燒結(jié)性，因而它的制作工藝和生產(chǎn)都較昂貴，降低SiC陶瓷的燒成溫度和尋找新的廉價(jià)的生產(chǎn)工藝仍是材料工作者的研究重點(diǎn)。同時(shí)挖掘和開發(fā)SiC陶瓷（粉末）的所有優(yōu)點(diǎn)造福于人類也是我們工作的重點(diǎn)。SiC陶瓷有它廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。