碳化硅陶瓷材料具有高溫力學強度大、硬度高、抗氧化性能強、抗輻射性能好、耐磨性好、熱穩(wěn)定性佳、熱膨脹系數(shù)小、耐化學腐蝕性好等優(yōu)異特性，在工業(yè)機械、國防軍工、半導體、環(huán)保、核能等諸多領域具有廣泛應用前景。

碳化硅陶瓷制品

來源：山東金鴻

目前碳化硅陶瓷的制備技術主要有反應燒結、常壓燒結、熱壓燒結、熱等靜壓燒結、放電等離子燒結、振蕩壓力燒結。

1. 反應燒結

反應燒結碳化硅的工藝流程首先是將碳源和碳化硅粉進行混合，經(jīng)注漿成型，干壓或冷等靜壓成型制備出坯體，然后進行滲硅反應，即在真空或惰性氣氛下將坯體加熱至1500℃以上，固態(tài)硅熔融成液態(tài)硅，通過毛細管作用滲入含氣孔的坯體。液態(tài)硅或硅蒸氣與坯體中C之間發(fā)生化學反應，原位生成的 β-SiC 與坯體中原有 SiC 顆粒結合，形成反應燒結碳化硅陶瓷材料。

碳化硅坯體反應燒結流程圖

來源：粉體網(wǎng)

反應燒結碳化硅性能關鍵主要在于碳源的尺寸及種類、碳化硅原料的粒徑、坯體的孔隙率、燒結溫度及保溫時間等因素。反應燒結碳化硅的優(yōu)勢是燒結溫度低、生產(chǎn)成本低、材料致密化程度較高，特別是反應燒結過程中幾乎不產(chǎn)生體積收縮，特別適合大尺寸復雜形狀結構件的制備，其典型應用產(chǎn)品包括高溫窯具材料、輻射管、熱交換器、脫硫噴嘴等。

2. 常壓燒結

常壓燒結碳化硅是在不施加外部壓力的情況下，通過添加合適的燒結助劑，在 2000～2150℃ 溫度間，可對不同形狀和尺寸的樣品進行致密化燒結。

根據(jù)燒結助劑形態(tài)的不同，碳化硅常壓燒結可分固相燒結和液相燒結兩種工藝，其中:

• 固相燒結可采用B和C作為燒結助劑，其他燒結助劑還包括 B4C + C、BN + C、BP + C、AlB2 + C 等，固相燒結碳化硅能夠達到較高的致密度 3.10 ～ 3.15 g /cm3，且沒有晶間的玻璃相，擁有出色的高溫力學性能，其使用溫度可達到 1600℃。但是如果固相燒結碳化硅的燒結溫度過高則可能導致其晶粒過大而降低材料的抗彎強度。

• 液相燒結一般以一定數(shù)量的多元低共熔氧化物為燒結助劑，在較低溫度下實現(xiàn)了 SiC 的致密化。由于燒結溫度較低，其晶粒不易長大，呈細小均勻等軸狀，同時由于晶界液相的引入和獨特的界面結構導致了界面結合弱化，材料的斷裂也變?yōu)橥耆难鼐嗔涯Ｊ?，結果使得材料的強度和韌性顯著提高。

常壓燒結碳化硅工藝技術已較為成熟，其優(yōu)勢在于可采用多種成型工藝，生產(chǎn)成本較低，對產(chǎn)品的形狀尺寸沒有限制，在適當添加劑的作用下可以獲得較高的強度及韌性，其工業(yè)典型產(chǎn)品包括耐磨損耐腐蝕的密封環(huán)、滑動軸承等。

常壓燒結碳化硅產(chǎn)品

來源：CNKI

3. 熱壓燒結

熱壓燒結是將干燥的碳化硅粉料填充進高強石墨模具內，在升溫的同時施加一個軸向壓力，在合適的壓力-溫度-時間工藝條件控制下，實現(xiàn)碳化硅的燒結成型。熱壓燒結由于加熱加壓同時進行，粉料處于熱塑性狀態(tài)，有助于顆粒的接觸擴散、流動傳質過程的進行，能在較低的燒結溫度，較短的燒結時間，得到晶粒細小、相對密度高和力學性能良好的碳化硅陶瓷產(chǎn)品。但該工藝的缺陷主要在于設備及工藝復雜，模具材料要求高，只能制備簡單形狀的零件，生產(chǎn)效率較低，生產(chǎn)成本高，所以其產(chǎn)品應用較少，主要適用于一些特殊要求的場合。

4. 熱等靜壓燒結

熱等靜壓燒結（HIP）是使材料（粉末、素坯或燒結體）在加熱過程中經(jīng)受各項均衡壓力，以惰性氣體氬氣或氮氣作為傳壓介質，借助于高溫高壓的共同作用促進致密化的工藝。

熱等靜壓燒結技術可在較低的燒結溫度下，以及較短的時間內制備出各項完全同性、微觀結構均勻、晶粒較細且完全致密的材料；可制備形狀復雜的產(chǎn)品，特別是在制備納米材料時對粉體的要求不高，甚至團聚嚴重的粉體也可用于納米陶瓷的制備；能精確控制制品的最終尺寸，得到的制品只需要很少的精加工甚至無需加工就能使用。但 HIP 燒結的突出缺點是封裝技術壁壘高，設備的投資成本和運轉費用都較高，阻礙了該工藝的廣泛應用。

5. 放電等離子燒結

放電等離子燒結(SPS)碳化硅是近十年發(fā)展起來的，首先將原料放置于石墨模具中，然后快速升溫并對坯體施加單軸加壓和直流脈沖電流，在短時間內就可以完成燒結。

放電等離子燒結相較常規(guī)燒結技術制備高致密度碳化硅陶瓷，加熱速率更快，所需的燒結溫度更低，燒結時間更短，因此往往可以制備出納米碳化硅材料。

SPS 燒結裝置示意圖

來源：CNKI

6. 閃燒

閃燒是指在加熱爐中加熱時，通過在樣品上直接施加電壓。一旦達到一定的閾值溫度，電流的突然非線性增加快速產(chǎn)生焦耳熱，樣品可以在幾秒鐘內迅速產(chǎn)生致密化，具有能耗低、燒結速度超快等優(yōu)點。

7. 振蕩壓力燒結

燒結過程中引入動態(tài)壓力有利于打破顆粒中的自鎖和團聚現(xiàn)象，減少氣孔、團聚等缺陷的數(shù)量和尺寸，從而獲得高致密度、細晶粒尺寸的均勻顯微結構，制備出高強度高可靠性的結構陶瓷材料。

振蕩壓力燒結技術的優(yōu)勢在于：可以通過連續(xù)振蕩壓力產(chǎn)生的顆粒重排顯著提高燒結前粉體的堆積密度；另振蕩壓力為粉體燒結提供了更大的燒結驅動力，更加有利于促進燒結體內晶粒旋轉和滑移、塑性流動而加快坯體的致密化，尤其是燒結進入后期，通過調節(jié)振蕩壓力的頻率和大小，排除晶界處的殘余微小氣孔，進而完全消除材料內部的殘余孔隙。

振蕩壓力燒結設備結構示意圖

來源：CNKI