1、無壓燒結

 

1974年美國GE公司通過在高純度β－SiC細粉中同時加入少量的B和C，采用無壓燒結工藝，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。美國GE公司研究者認為：晶界能與表面能之比小于1．732是致密化的熱力學條件，當同時添加B和C后，B固溶到SiC中，使晶界能降低，C把SiC粒子表面的SiO2還原除去，提高表面能，因此B和C的添加為SiC的致密化創造了熱力學方面的有利條件。然而，***研究人員卻認為SiC的致密并不存在熱力學方面的***。還有學者認為，SiC的致密化機理可能是液相燒結，他們發現：在同時添加B和C的β－SiC燒結體中，有富B的液相存在于晶界處。關于無壓燒結機理，目前尚無定論。

 

以α－SiC為原料，同時添加B和C，也同樣可實現SiC的致密燒結。

 

研究表明：單獨使用B和C作添加劑，無助于SiC陶瓷充分致密。只有同時添加B和C時，才能實現SiC陶瓷的高密度化。為了SiC的致密燒結，SiC粉料的比表面積應在10m2／g以上，且氧含量盡可能低。B的添加量在0．5％左右，C的添加量取決于SiC原料中氧含量高低，通常C的添加量與SiC粉料中的氧含量成正比。

 

最近，有研究者在亞微米SiC粉料中加入Al2O3和Y2O3，在1850℃～2000℃溫度下實現SiC的致密燒結。由于燒結溫度低而具有明顯細化的微觀結構，因而，其強度和韌性大大改善。

 

2、熱壓燒結

 

 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熱壓燒結的影響。實驗表明：Al和Fe是促進SiC熱壓致密化的最有效的添加劑。

 

有研究者以Al2O3為添加劑，通過熱壓燒結工藝，也實現了SiC的致密化，并認為其機理是液相燒結。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，也都獲得了致密SiC陶瓷。

 

研究表明：燒結體的顯微結構以及力學、熱學等性能會因添加劑的種類不同而異。如：當采用B或B的化合物為添加劑，熱壓SiC的晶粒尺寸較小，但強度高。當選用Be作添加劑，熱壓SiC陶瓷具有較高的導熱系數。

 

3、熱等靜壓燒結

 

近年來，為進一步提高SiC陶瓷的力學性能，研究人員進行了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，采用熱等靜壓燒結工藝，在1900℃便獲得高密度SiC燒結體。更進一步，通過該工藝，在2000℃和138MPa壓力下，成功實現無添加劑SiC陶瓷的致密燒結。

 

研究表明：當SiC粉末的粒徑小于0．6μm時，即使不引入任何添加劑，通過熱等靜壓燒結，在1950℃即可使其致密化。如選用比表面積為24m2／g的SiC超細粉，采用熱等靜壓燒結工藝，在1850℃便可獲得高致密度的無添加劑SiC陶瓷。

 

另外，Al2O3是熱等靜壓燒結SiC陶瓷的有效添加劑。而C的添加對SiC陶瓷的熱等靜壓燒結致密化不起作用，過量的C甚***會抑制SiC陶瓷的燒結。

 

4、反應燒結：

 

 SiC的反應燒結法最早在美國研究成功。反應燒結的工藝過程為：先將α－SiC粉和石墨粉按比例混勻，經干壓、擠壓或注漿等方法制成多孔坯體。在高溫下與液態Si接觸，坯體中的C與滲入的Si反應，生成β－SiC，并與α－SiC相結合，過量的Si填充于氣孔，從而得到無孔致密的反應燒結體。反應燒結SiC通常含有8％的游離Si。因此，為保證滲Si的完全，素坯應具有足夠的孔隙度。一般通過調整最初混合料中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的素坯密度。

 

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

 

總之，SiC陶瓷的性能因燒結方法不同而不同。一般說來，無壓燒結SiC陶瓷的綜合性能優于反應燒結的SiC陶瓷，但次于熱壓燒結和熱等靜壓燒結的SiC陶瓷。