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碳化矽陶瓷的燒結

文章出處:原創網責任編輯:楊麗君作者:楊麗君人氣:-發表時間:2015-05-26 17:34:00【

  1、無壓燒結

  1974年年美國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,於2020℃成功地獲得高密度SiC陶瓷。目前,該工藝已成為製備SiC陶瓷的主要方法。美國GE公司研究者認為:晶界能與表麵能之比小於1.732是致密化的熱力學條件,當同時添加B和C後,B固溶到SiC中,使晶界能降低,C把SiC粒子表麵的SiO2還原除去,提高表麵能,因此B和C的添加為SiC的致密化創造了熱力學方麵的有利條件。然而,日本研究人員卻認為SiC的致密並不存在熱力學方麵的限製。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的液相存在於晶界處。關於無壓燒結機理,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,無助於碳化矽陶瓷充分致密。隻有同時添加B和C時,才能實現碳化矽陶瓷的高密度化。為了SiC的致密燒結,SiC粉料的比表麵積應在10m2/g以上,且氧含量盡可能低。B的添加量在0.5%左右,C的添加量取決於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。由於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,並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,熱壓碳化矽陶瓷具有較高的導熱係數。

  3、熱等靜壓燒結:

  近年來,為進一步提高碳化矽陶瓷的力學性能,研究人員進行了碳化矽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粉末的粒徑小於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。如選用比表麵積為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是熱等靜壓燒結碳化矽陶瓷的有效添加劑。而C的添加對碳化矽陶瓷的熱等靜壓燒結致密化不起作用,過量的C甚至會抑製SiC陶瓷的燒結。

  4、反應燒結:

  SiC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,經幹壓、擠壓或注漿等方法製成多孔坯體。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,並與α-SiC相結合,過量的Si填充於氣孔,從而得到無孔致密的反應燒結體。反應燒結SiC通常含有8%的遊離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碳化矽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。另一方麵,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碳化矽陶瓷對強酸、強堿具有良好的抵抗力,但反應燒結碳化矽陶瓷對HF等超強酸的抗蝕性較差。就耐高溫性能比較來看,當溫度低於900℃時,幾乎所有SiC陶瓷強度均有所提高;當溫度超過1400℃時,反應燒結碳化矽陶瓷抗彎強度急劇下降。(這是由於燒結體中含有一定量的遊離Si,當超過一定溫度抗彎強度急劇下降所致)對於無壓燒結和熱等靜壓燒結的碳化矽陶瓷,其耐高溫性能主要受添加劑種類的影響。

  總之,碳化矽陶瓷的性能因燒結方法不同而不同。一般說來,無壓燒結碳化矽陶瓷的綜合性能優於反應燒結的SiC陶瓷,但次於熱壓燒結和熱等靜壓燒結的SiC陶瓷。

此文關鍵字:碳化矽陶瓷