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生產碳化硅材料的多種方法總結發布日期：2020-10-26 類別:公司新聞 瀏覽量: 4636 times 1.引言 碳化硅特種陶瓷材料具有優異的高溫強度、耐磨性、耐腐蝕性及良好的導電、導熱性， 在航空、航天、汽車、機械、石化、冶金和電子等行業得到了廣泛的應用。但由于碳化硅的強共價鍵特性，十分難以燒結。碳化硅陶瓷的制備方法很多，下面將介紹幾種主要的制備方法。 2. 碳化硅特種陶瓷材料的制備方法
2.1 反應燒結碳化硅
將α—SiC粉末和碳按一定比例混合制成坯體，在1400—1650℃之間加熱，使液相或氣相Si滲入坯體，與碳反應生成β—SiC，把坯體中α—SiC顆粒結合起來，從而得到致密SiC材料，這種工藝又稱自結合碳化硅。反應燒結工藝制備碳化硅材料的優點是燒結溫度低，制成品無體積收縮，無氣孔，形狀保持不變，其主要缺點是燒結體中含有8％-12％的游離硅與少量殘留碳，從而限制了材料的最高使用溫度（＜1350℃），同時也不適合在強氧化與強腐蝕環境中使用。
按起始素坯中是否含有碳化硅顆粒，可將反應燒結碳化硅分為反應結合碳化硅和反應形成碳化硅。
2.1.1 反應結合碳化硅
反應結合碳化硅是指素坯中含有碳化硅和碳粉，在反應過程中碳和硅反應生成新的碳化硅相與原碳化硅相結合，從而形成碳化硅復合材料。其制備工藝如下：將碳化硅粉、碳粉和有機粘結劑混合，經過成型、干燥、脫粘，最后滲硅而制得。這是現在普遍采用的一種方法。
這種方法制備的反應燒結碳化硅中一般含有粗大的碳化硅晶粒，且自由硅的含量較高，但是此種方法工藝過程簡單，且成本較低。
2.1.2 反應形成碳化硅
反應形成碳化硅是指素坯中只含有碳，這種多孔碳的素坯與硅或硅合金反應從而制備出碳化硅復合材料。其主要原理是：將可轉變為碳的前驅體、孔形成劑及溶劑混合，在酸的催化作用下，使碳的前驅體聚合，隨著聚合過程的進行所形成的聚合物與孔形成劑和溶劑相分離，形成富聚合物相和富孔形成劑和溶劑的雙連續相的固體，將此固體熱裂解，在熱裂解的過程中，聚合物相轉化為碳，而孔形成劑和溶劑蒸發或分解產生氣孔，從而獲得多孔碳。多孔碳再進行滲硅或硅合金制取反應燒結碳化硅材料。
用此法制備的反應燒結碳化硅的優點是：通過調節起始組分的濃度、聚合和熱處理溫度，所得多孔碳的密度、孔徑的大小和分布及孔的形貌在很大范圍內可調；因是采用濕化學的方法，素坯的結構均勻；素坯中只含有碳而不包含原生的碳化硅，這樣制品最終的顯微結構均一，更有利于提高制品的力學、熱學及光學性能。用此種工藝制備的反應形成碳化硅其強度可達600—700MPa。此法的缺點在于制備過程較復雜，成本較高，且在熱裂解的過程中有大量的氣體放出，素坯易開裂，較難制得大尺寸的制品。
另外，現在有采用石油焦為原料制備全碳質素坯，再經滲硅而制取反應生成碳化硅。但是現在所制備的材料的性能較低，強度一般低于400MPa，且所得的碳化硅的均勻性不好。但是由于采用了價格低廉的石油焦為原料，成本較低。
2.2 無壓燒結（常壓燒結）碳化硅
碳化硅是共價鍵很強的材料，難以直接燒結致密，必須加入燒結助劑才能實現無壓燒結。Be，B，Al，N，P，As等易溶入碳化硅中，而B的溶解度最大。B可以以B4C的形式加入；此外碳的加入有利于使碳化硅顆粒表面的氧化膜的高溫時還原，增加顆粒表面能。目前常用的添加劑為Al+B4C+C或Al2O3+Y2O3。
采用β—SiC超細粉和B、C的體系，在1900—2100℃加熱燒結，密度可達到或超過理論密度的95％。
無壓燒結的優點是：可以采用多種成形工藝制備各種形狀的制品，在適當添加劑的作用下可獲得較高的強度和韌性，其不足之處在于燒結溫度較高，得到的材料具有一定的氣孔率，強度相對較低，并且伴隨15％左右的燒成體積收縮，此外在燒結過程中可能出現化學成分和密度的不均勻，影響其性能的均勻性。
2.3 熱壓燒結碳化硅
熱壓燒結生產工藝生產的碳化硅其性能優良。特別是耐熱沖擊性優秀，并具有高密度，高強度。密度可達理論密度的99％以上。據報導強度可達110kg／mm2，在1600℃時仍有105kg／mm2。但它的最大缺點是生產工藝復雜，生產產量低成本高。隨著連續熱壓爐的出現、產量低的缺點有所改善。但它的生產成本還是無法與其它工藝生產的碳化硅的成本競爭。
與無壓燒結類似，熱壓燒結碳化硅在無燒結助劑的情況下，仍然無法得到完全致密材料。其常用的燒結助劑為B+C、B4C、Al2O3、AlN、，BN、BeO、Al等。燒結助劑種類與含量不同，所得的材料的性能也不同；此外，影響熱壓碳化硅材料燒結性能的因素還有原材料顆粒度、原材料中的α—SiC含量、熱壓壓力與溫度等因素。一般采用的熱壓溫度為1950—2300℃，壓力20—40MPa，熱壓燒結的碳化硅制品，密度高，抗彎強度高；但只能生產形狀簡單的產品，且生產成本高。
熱壓燒結法與常壓燒結法的不同之處就是可將碳化硅的含量從1％到99％以任意比例配合，所以能得到連續變化的復合材料的電阻率。可是由于熱壓是單一方向加壓，所以燒結體中的粒子發生離位定向使彎曲強度、電阻率等物理性能有根強的異向性。
2.4 再結晶碳化硅
碳化硅粉料中不加添加劑, 直接將成型的毛坯在2000℃以上的溫度燒結, 其主要的燒結機理為蒸發—凝聚。燒結時無體積變化，收縮很小，氣孔率較高 (20% )，強度較低(100M Pa)。由于在2000℃以上燒結，粉料中存在的β—SiC 將轉變為α—SiC，得到的材料具有單相性，從而具有良好的導電性、導熱性、耐化學腐蝕性和熱穩定性。但因其強度較低，僅應用于高溫導電及耐火材料方面。
3 結束語
生產碳化硅材料的方法很多，生產方法不同，產品的性能也有很大不同。總的來看反應燒結的優點較多。其主要優點有：處理溫度低，一般來講，由于碳化硅的共價鍵特性，它的燒結通常需要很高的制備溫度（〉1900℃），而反應燒結僅需在浸滲劑的液相線以上幾十度進行，比其他燒結工藝低數百度；可以制備大尺寸、形狀復雜的制品；由于素坯成型方法較多，而且燒結過程無需加壓，所以原則上講，制品的尺寸僅受燒結爐大小的限制，其形狀復雜程度則由其成型工藝決定；樣品處理過程中尺寸變化小且制品完全致密；制品處理時間短，不需特殊、昂貴的設備。
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