中国粉体网讯 SiC陶瓷具有高硬度、高强度、耐高温、耐腐蚀等特性，广泛应用于航空航天、石油化工、集成电路等领域，由于大部分碳化硅制品都属于高附加值产品，市场前景广阔，因此受到很多国家的重视，一直是材料学界研究的重点。
碳化硅陶瓷，来源：山田集团
SiC陶瓷超高的合成高温和难以烧结致密的特性限制了它的发展，烧结工艺对于SiC陶瓷而言是很重要的。
烧结工艺：反应烧结VS无压烧结
SiC为强共价键化合物，这个结构特点赋予了材料高硬度、高强度、高熔点和耐腐蚀等性能的同时，使材料在烧结时扩散速率较低，影响材料的烧结致密化，因此必须借助烧结添加剂、外部压力等方法才能实现致密化。目前，碳化硅反应烧结及无压烧结的研究及产业化应用获得了较大发展。
反应烧结碳化硅工艺是一种近净尺寸烧结工艺，在烧结过程中几乎没有收缩及尺寸变化，具有烧结温度低、产品结构致密、生产成本低等优点，适合制备大尺寸复杂形状碳化硅陶瓷制品。但不足之处是坯体前期制备工艺过于复杂，以及所产出的副产物存在污染等；另外，反应烧结SiC陶瓷材料的使用温度范围受到材料中的游离Si含量所影响，当温度在1400°C以上，该材料的强度会随着游离Si的熔化而迅速下降。
反应烧结碳化硅产品：(a)换热器；(b)窑炉辐棒；(c)螺旋喷嘴
SiC的无压烧结技术已经非常成熟，其优势在于可以采用多种成型工艺，突破产品形状和尺寸的限制，在适当添加剂的作用下可以获得较高的强度及韧性。此外，SiC的无压烧结操作简单，适用于不同形状的陶瓷零部件的批量化生产。但不足之处在于无压烧结碳化硅粉体比反应烧结碳化硅更贵，制造成本要更高。
无压烧结碳化硅产品：(a)陶瓷密封件；(b)陶瓷轴承；(c)防弹板
无压烧结工艺主要分为固相烧结和液相烧结两种，反应烧结碳化硅陶瓷相对于无压固相烧结碳化硅耐高温性能差,特别是温度超过1400℃时碳化硅陶瓷的抗弯强度急剧下降,并且其不耐强酸强碱。而采用无压固相烧结的碳化硅陶瓷，其在高温下的机械性和在强酸强碱下的耐腐蚀性远好于反应烧结碳化硅。
无压烧结工艺研究
1、固相烧结
固相烧结SiC陶瓷的温度较高，但其物化性能稳定，尤其是在高温下强度不会发生改变，具有特殊的应用价值。
在SiC中加入B和C后，B处于SiC晶界上，部分B取代SiC中的C形成固溶体，C则与SiC表面的SiO2以及杂质Si反应，以上反应使SiC的晶界能减少、表面能增加，从而得到烧结驱动力的增加，促进烧结致密化。20世纪90年代以后，采用B和C作为添加剂制备无压烧结SiC的方法已经广泛应用到各工业领域。
优点：除了少量残留C外，不存在第二相或晶界无玻璃相，晶界洁净，高温性能良好，可以使用到1600℃而性能基本不变。
缺点：不能达到完全致密，通常在晶粒的三角晶界处存在少量闭口气孔，而且高温时易导致晶粒长大。
2、液相烧结
液相烧结中烧结助剂的添加量通常在百分之几，并且在烧结完成后的晶间相中仍然会残留较多的氧化物。因此，液相烧结碳化硅的断裂方式通常是沿晶断裂，具有较高的强度和断裂韧性。同时，相对于固相烧结，其烧结过程中形成的液相有效降低了烧结温度。
Al2O3-Y2O3体系是最早开始研究也是被认为是最有吸引力的SiC陶瓷液相烧结添加剂体系。该体系可以在较低温度下实现SiC陶瓷的致密化烧结。
（1）利用含有Al2O3，Y2O3和MgO的粉床进行了样品的埋烧。通过观察发现MgO与SiC颗粒的表面SiO2反应形成液相，通过颗粒重排和熔液再沉积过程促进了烧结致密化。
（2）Al2O3，Y2O3和CaO作为添加剂对SiC陶瓷进行无压烧结，不同CaO含量的SiC材料中均有Al5Y3O12相形成，随着CaO含量的不断增加，材料中形成了CaY2O4氧化物相，CaY2O4和Al5Y3O12的液相在晶界中形成了快速渗透路径，改善了材料的烧结性。
小结
添加剂可以提高无压烧结SiC陶瓷的致密程度、降低烧结温度、改变材料的微观结构、改善材料的机械性能。随着对添加剂体系研究的不断深入，添加剂已经从原先的单一组分向多组分体系发展。在多元添加剂体系中，每种组分都有其独特的作用来提升SiC陶瓷的性能；添加剂的引入也有一些不容忽视的弊端。添加剂与SiC之间的反应会产生诸如Al2O或CO等气相，导致材料孔隙率上升。如何降低SiC陶瓷的孔隙率及消除添加剂对材料失重的影响是今后液相烧结SiC陶瓷技术的重点研究内容之一。
参考来源
王琨等：无压烧结SiC陶瓷研究进展
李辰冉等：碳化硅陶瓷材料烧结技术的研究与应用进展
段春雷等：无压烧结碳化硅工艺及应用探索
戴培赟等：碳化硅致密陶瓷材料研究进展
（中国粉体网编辑整理/空青）
注：图片非商业用途，存在侵权请告知删除！
