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碳化硅陶瓷的烧结的方法有哪几种?
文章出处:原创网责任编辑:王龙作者:王龙人气:-发表时间:2017-03-21 09:36:00
1 、无压烧结
1974 年美国 GE 公司通过在高纯度 β - SiC 细粉中同时加入少量的 B 和 C ,采用无压烧结工艺,于 2020℃成功地获得高密度 SiC 陶瓷。目前,该工艺已成为制备 SiC 陶瓷的主要方法。美国 GE 公司研究者认为:晶界能与表面能之比小于 1.732 是致密化的热力学条件,当同时添加 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 还原除去,提高表面能,因此 B 和 C 的添加为 SiC 的致密化创造了热力学方面的有利条件。然而,日本研究人员却认为 SiC 的致密并不存在热力学方面的限制。还有学者认为, SiC 的致密化机理可能是液相烧结,他们发现:在同时添加 B 和 C 的 β - SiC 烧结体中,有富 B 的液相存在于晶界处。关于无压烧结机理,目前尚无定论。 以 α - SiC 为原料,同时添加 B 和 C ,也同样可实现 SiC 的致密烧结。 研究表明:单独使用 B 和 C 作添加剂,无助于 SiC 陶瓷充分致密。只有同时添加 B 和 C 时,才能实现 SiC 陶瓷的高密度化。为了 SiC 的致密烧结, SiC 粉料的比表面积应在 10m2 / g 以上,且氧含量尽可能低。 B 的添加量在 0.5 %左右, C 的添加量取决于 SiC 原料中氧含量高低,通常 C 的添加量与 SiC 粉料中的氧含量成正比。 最近,有研究者在亚微米 SiC 粉料中加入 Al2O3 和 Y2O3 ,在 1850℃~2000℃温度下实现 SiC 的致密烧结。由于烧结温度低而具有明显细化的微观结构,因而,其强度和韧性大大改善。
2 、热压烧结
50 年代中期,美国 Norton 公司就开始研究 B 、 Ni 、 Cr 、 Fe 、 Al 等金属添加物对 SiC 热压烧结的影响。实验表明: Al 和 Fe 是促进 SiC 热压致密化的最有效的添加剂。 有研究者以 Al2O3 为添加剂,通过热压烧结工艺,也实现了 SiC 的致密化,并认为其机理是液相烧结。此外,还有研究者分别以 B4C 、 B 或 B 与 C , Al2O3 和 C 、 Al2O3 和 Y2O3 、 Be 、 B4C 与 C 作添加剂,采用热压烧结,也都获得了致密 SiC 陶瓷。 研究表明:烧结体的显微结构以及力学、热学等性能会因添加剂的种类不同而异。如:当采用 B 或 B 的化合物为添加剂,热压 SiC 的晶粒尺寸较小,但强度高。当选用 Be 作添加剂,热压 SiC 陶瓷具有较高的导热系数。
3 、热等静压烧结
近年来,为进一步提高 SiC 陶瓷的力学性能,研究人员进行了 SiC 陶瓷的热等静压工艺的研究工作。研究人员以 B 和 C 为添加剂,采用热等静压烧结工艺,在 1900℃便获得高密度 SiC 烧结体。更进一步,通过该工艺,在 2000℃和 138MPa 压力下,成功实现无添加剂 SiC 陶瓷的致密烧结。 研究表明:当 SiC 粉末的粒径小于 0.6 μ m 时,即使不引入任何添加剂,通过热等静压烧结,在 1950℃ 即可使其致密化。如选用比表面积为 24m2 / g 的 SiC 超细粉,采用热等静压烧结工艺,在 1850℃便可获得高致密度的无添加剂 SiC 陶瓷。 另外, Al2O3 是热等静压烧结 SiC 陶瓷的有效添加剂。而 C 的添加对 SiC 陶瓷的热等静压烧结致密化不起作用,过量的 C 甚至会抑制 SiC 陶瓷的烧结。
4 、反应烧结
SiC 的反应烧结法最早在美国研究成功。反应烧结的工艺过程为:先将 α - SiC 粉和石墨粉按比例混匀,经干压、挤压或注浆等方法制成多孔坯体。在高温下与液态 Si 接触,坯体中的 C 与渗入的 Si 反应,生成 β - SiC ,并与 α - SiC 相结合,过量的 Si 填充于气孔,从而得到无孔致密的反应烧结体。反应烧结 SiC 通常含有 8 %的游离 Si 。因此,为保证渗 Si 的完全,素坯应具有足够的孔隙度。一般通过 调整最初混合料中 α - SiC 和 C 的含量, α - SiC 的粒度级配, C 的形状和粒度以及成型压力等手段来获得适当的素坯密度。
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