碳化硅致密陶瓷的制備方法及其性能

碳化硅致密陶瓷的制備方法及其性能

0碳化硅制品的應(yīng)用碳化硅陶瓷具有良好的耐堿性、抗氧化性和耐腐蝕性、耐熱性高、熱膨脹系數(shù)小、熱導(dǎo)率高、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點。廣泛應(yīng)用于航空、航空航天、汽車、機械、石化、冶金、電子等行業(yè)。除了用作研磨劑和耐腐蝕性材料外，碳化硅產(chǎn)品的應(yīng)用也逐漸增加。由于大部分碳化硅制品都屬于高附加值產(chǎn)品,市場前景廣闊,因此受到很多國家的重視,一直是材料學(xué)界研究的重點,如何制得高致密度的碳化硅陶瓷也是研究者一直關(guān)心的課題。目前用于制備碳化硅致密陶瓷的方法主要有反應(yīng)燒結(jié)法、無壓燒結(jié)法、液相燒結(jié)法、熱壓和熱等靜壓燒結(jié)法等,碳化硅陶瓷的性能隨制備工藝的不同會發(fā)生一定的變化,本文主要對碳化硅致密陶瓷的制備方法及其性能進行簡單介紹。1固碳硅詳細陶瓷的制備和性能1.1反應(yīng)燒結(jié)碳化硅反應(yīng)燒結(jié)制備碳化硅的過程中存在Si+C→SiC的化學(xué)反應(yīng)。將碳化硅粉料和碳顆粒制成的多孔坯體在硅粉中加熱至1450~1470℃,熔融的硅滲入坯體內(nèi)部與碳反應(yīng)生成碳化硅。上世紀七十年代,由于世界范圍內(nèi)的石油危機,能源問題和由此帶來的矛盾越來越突出,為了提高內(nèi)燃發(fā)動機的效率,科學(xué)家們開始考慮使用高溫陶瓷材料替代內(nèi)燃機的金屬部件。1973年,英國人KennedyP和ShennanJV等開始了反應(yīng)燒結(jié)制備碳化硅的深入研究,1978年,英國劍橋大學(xué)的SawyerGR等人采用掃描電鏡、透射電鏡、光學(xué)顯微鏡和X射線衍射等手段對反應(yīng)燒結(jié)碳化硅的微觀結(jié)構(gòu)進行了一系列的定量表征,1990年,日本的LimCB等人研究了反應(yīng)燒結(jié)碳化硅中強度、氣孔率與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系,隨著研究的進一步深入,反應(yīng)燒結(jié)碳化硅產(chǎn)品開始逐步商業(yè)化。由于硅與碳化合生成碳化硅是劇烈的放熱反應(yīng),因此在原始坯體中通常要加入一定量的碳化硅顆粒。由于硅的液相會通過氣孔的毛細管力進入到坯體內(nèi)部,所以控制原始坯體的氣孔率顯得尤為重要。進入坯體內(nèi)部的殘余硅會留在坯體中,因此反應(yīng)燒結(jié)法無法制備出單相的碳化硅陶瓷。另外,反應(yīng)燒結(jié)碳化硅的強度也不高,通常在300MPa左右,并且當(dāng)溫度超過硅的熔點(1414℃)時,產(chǎn)品的強度會由于殘余硅的熔解而急劇下降。在反應(yīng)燒結(jié)過程完成后,將得到的陶瓷在高溫下使硅蒸發(fā)將其去除,得到的材料雖然氣孔率較高,但仍可以保持一定的強度。產(chǎn)品的強度和其他性能與其氣孔率和微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。由于反應(yīng)燒結(jié)法合成的碳化硅材料在燒結(jié)過程中沒有體積收縮,可以制備出體積大、形狀復(fù)雜的部件,因此在工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)量較大,主要用于爐料、坩堝和匣缽等。由于碳化硅具有較低的熱膨脹系數(shù)和較高的彈性模量,因此反應(yīng)燒結(jié)碳化硅也成為空間反射鏡的理想材料。2000年,西安交通大學(xué)黃清偉等人研究了以碳氈為生坯制備反應(yīng)燒結(jié)碳化硅的纖維組織特點,其碳化硅顆粒形態(tài)均勻細小且呈線狀,而將碳氈浸漬過樹脂后制得的反應(yīng)燒結(jié)碳化硅,其顆粒粗大且不均勻,在研究生坯制備參數(shù)和產(chǎn)品氧化時間對產(chǎn)品性能的影響時發(fā)現(xiàn),當(dāng)碳化硅顆粒的粒度一定時,坯體中碳粉的尺寸和氧化處理的時間都存在一個最佳的范圍,過大的碳粉尺寸和過長的氧化處理時間都會導(dǎo)致材料強度的下降。2003年,武漢理工大學(xué)武七德等人研究了以石油焦粉制成的純碳素坯和淀粉與碳粉的混合漿料原位成型制成素坯的反應(yīng)燒結(jié)特性,材料的最終物相與素坯的孔隙率有關(guān),晶粒的尺寸隨燒結(jié)時間的延長而長大,同時強度略有下降。同年,日本的SuyamaS和KamedaT等人通過控制反應(yīng)燒結(jié)碳化硅的結(jié)構(gòu)成功制備出無氣孔、高強度的碳化硅陶瓷和用于制氫系統(tǒng)的熱交換器部件。其強度隨殘余硅尺寸的降低而增加,當(dāng)殘余硅的尺寸降至100nm時,碳化硅陶瓷的強度可高達1000MPa。2004年,WangYX等人使用糠基樹脂、糠醇、二甘醇、三甘醇和對甲苯磺酸配置成混合溶液,經(jīng)過聚合形成多孔的固態(tài)聚合體,通過調(diào)節(jié)聚合物的配比和聚合條件,經(jīng)過700℃處理后可以分別得到球狀的、網(wǎng)狀交聯(lián)的和片狀的碳顆粒形成的碳骨架,經(jīng)過液相滲硅反應(yīng)燒結(jié)制得不同微觀組織的碳化硅陶瓷,其中由球狀碳顆粒的骨架制成的碳化硅陶瓷結(jié)構(gòu)最均勻,殘余硅的數(shù)量最低(12wt%),彎曲強度約為410MPa。近年來,反應(yīng)燒結(jié)技術(shù)逐漸發(fā)展成為制造先進材料的重要方法。隨著晶片尺寸和熱處理溫度的提高,反應(yīng)燒結(jié)碳化硅逐漸取代了石英玻璃。采用高純的碳化硅粉和高純硅可以制得包含部分硅相的高純碳化硅部件,并廣泛應(yīng)用于電子管和半導(dǎo)體晶片制造設(shè)備的支撐夾具。但由于金屬雜質(zhì)的存在,如鋁等,使材料的使用性能受到一定影響,2006年,ItohT等人采用化學(xué)氣相沉積與反應(yīng)燒結(jié)相結(jié)合的方法,進一步提高了產(chǎn)品的純度。2011年,以色列的AroatiS等人通過采用不同顆粒級配的碳化硅粉料制成碳化硅坯體,以減小坯體滲硅前的氣孔率,并以碳化硼為碳源,以避免聚合物碳源高溫分解形成的氣孔,最終制得了殘余硅遠低于普通反應(yīng)燒結(jié)碳化硅的陶瓷材料,其力學(xué)性能相比普通的反應(yīng)燒結(jié)碳化硅也有較大的改善,彎曲強度大約提高了15%。反應(yīng)燒結(jié)法制備碳化硅的另一種方法是采用氮化硅結(jié)合碳化硅。首先采用碳化硅和硅的粗粉制成坯體,燒結(jié)溫度不能高于硅的熔點,通常大約為1370℃,在氮氣氛圍中硅與氮氣反應(yīng)生成氮化硅(3Si+2N2→Si3N4),將碳化硅顆粒連接在一起。燒結(jié)體的性能主要取決于坯料中硅的比例、顆粒尺寸、壓實密度等。燒結(jié)過程中,坯體幾乎不發(fā)生收縮,因此燒結(jié)前后坯體的形狀不會發(fā)生改變,可以用于制備尺寸較大的部件。產(chǎn)品的抗熱震性好,耐高溫腐蝕,廣泛應(yīng)用于高溫爐中的耐火材料。1.2-sic粉料的國外使用現(xiàn)狀無壓燒結(jié)法是在不額外加壓的條件下,在一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的惰性氣體氣氛中進行燒結(jié)。早在1956年,美國的AlliegroRA等人就發(fā)現(xiàn)B在熱壓燒結(jié)碳化硅中具有促進燒結(jié)致密化的作用,此后,Al、Fe、Cr、Ca、Ni、Al+Fe、Zr和Mn等相繼被研究者用作添加劑以促進碳化硅的燒結(jié)。1975年,ProchazkaS等人在碳化硅坯體中加入B和C,通過無壓固相燒結(jié)成功制備出碳化硅陶瓷。ProchazkaS等人的實驗采用的是高純的亞微米級β-SiC粉體,并在其中加入少量的B和C,他們研究了此系統(tǒng)的很多重要影響因素,證明碳化硅的坯體通過固相燒結(jié)致密化,β-SiC在燒結(jié)過程中產(chǎn)生相變并發(fā)生晶粒長大,陶瓷的強度主要與斷裂源的尺寸有關(guān),在高溫下并無明顯下降,并且測量了無壓燒結(jié)碳化硅的斷裂能。由于碳化硅是高熔點的強共價鍵材料,這項研究立即引起了大量的關(guān)注,并且?guī)缀鯚o一例外地被與碳化硅燒結(jié)相關(guān)的研究論文引用。在ProchazkaS的研究成果發(fā)表后不久,人們很快就發(fā)現(xiàn)B和C作為添加劑對β-SiC的燒結(jié)促進作用同樣適用于α-SiC。此后,在美國、日本等國家大量的相關(guān)專利如雨后春筍般涌現(xiàn),不勝枚舉。由于α-SiC粉料的生產(chǎn)成本比β-SiC粉料低,因此α-SiC的燒結(jié)制品在碳化硅工業(yè)產(chǎn)品中占主導(dǎo)地位。β-SiC粉料的性能較高,因此主要用于高性能機械封裝等領(lǐng)域。大部分碳化硅陶瓷的工業(yè)產(chǎn)品是用于耐磨材料,其余主要是高溫結(jié)構(gòu)材料。α-SiC與β-SiC的燒結(jié)機理基本是一致的,但β-SiC在高溫下趨于向α-SiC發(fā)生轉(zhuǎn)變。由于相變會促進晶粒長大并抑制坯體的致密化,因此β-SiC粉料的燒結(jié)要比α-SiC困難。BockerW和HausnerH等人深入研究了B和C對碳化硅陶瓷微觀結(jié)構(gòu)的影響,α-SiC和β-SiC的主要差別之一是晶粒形狀不同,前者燒結(jié)后晶粒多是等軸的多面體,而后者則形成具有較大的縱橫比的長條狀柱狀晶。β-SiC是立方晶系,卻在燒結(jié)過程發(fā)展成為各向異性的柱狀晶,這主要是由于立方碳化硅在2100~2200℃的燒結(jié)溫度下不穩(wěn)定,在晶粒內(nèi)部產(chǎn)生很多堆垛層錯,最終導(dǎo)致晶粒形狀的各向異性。添加B和C的碳化硅系統(tǒng)在無壓固相燒結(jié)過程中,晶界變得狹長,因此在斷裂過程中主要以穿晶斷裂為主,但其晶粒的縱橫比與強度的關(guān)系并不像Al2O3作為燒結(jié)助劑的碳化硅陶瓷那樣明顯。OrangeG等人的研究表明,具有較高晶?？v橫比的β-SiC陶瓷,其力學(xué)性能與α-SiC的陶瓷相比只有很小程度的提高。1.3礦物在碳化硅燒結(jié)中的使用碳化硅的液相燒結(jié)開始于1975年,LangeFF首次在碳化硅的熱壓燒結(jié)過程中加入了部分氧化鋁以促進碳化硅坯體的致密化。Al2O3在高溫下與SiC粉料顆粒表面的SiO2反應(yīng)形成液相,成為碳化硅顆粒之間的晶間相,通過液相傳質(zhì)過程使坯體致密化。與添加B和C的碳化硅固相燒結(jié)不同,液相燒結(jié)中燒結(jié)助劑的添加量通常在百分之幾,并且在燒結(jié)完成后的晶間相中仍然會殘留較多的氧化物。因此,液相燒結(jié)碳化硅的斷裂方式通常是沿晶斷裂,具有較高的強度和斷裂韌性。ShinozakiSS和SuzukiK等人通過加入質(zhì)量分數(shù)不低于3%的Al2O3,分別采用無壓燒結(jié)和無壓燒結(jié)與熱等靜壓相結(jié)合的辦法,系統(tǒng)地研究了它們的組織和力學(xué)性能。通過一系列不同的燒結(jié)制度,研究了晶粒生長、密度、強度和韋伯模數(shù)(強度分布的模數(shù))的變化情況,并指出了晶粒的縱橫比與斷裂韌性之間的關(guān)系,實現(xiàn)了碳化硅陶瓷微觀組織的原位控制技術(shù)。Al2O3作為添加劑主要是由于其和碳化硅的反應(yīng)形成液相促進傳質(zhì)而使坯體致密化。為了研究Al2O3+SiC系統(tǒng)的特性,MisraAK研究了Si-Al-C-O系統(tǒng)的熱化學(xué)性能,并給出了相關(guān)的相變熱力學(xué)數(shù)據(jù)。根據(jù)MisraAK的計算,當(dāng)溫度升至1800℃,SiC顆粒的氧化層會與Al2O3反應(yīng)形成莫來石(3Al2O3·2SiO2)液相,當(dāng)系統(tǒng)中有C存在時,由于C的活性,會在系統(tǒng)中反應(yīng)形成Al2O3+Al4C3+SiC的液相,從而使坯體的燒結(jié)溫度降低。PadtureNP和KimYW的研究表明,同時加入Al2O3和Y2O3也可以促進碳化硅的燒結(jié)致密化。同時加入Al2O3和Y2O3的目的是在1400℃或者更低的溫度下形成SiO2-Al2O3-Y2O3系統(tǒng)的液相并晶化形成釔鋁石榴石(yttriumaluminumgarnet,YAG,Y3Al5O12)的晶間相,從而降低坯體的燒結(jié)溫度。此外,也有很多使用AlN和稀土元素的氧化物替代Al2O3和Y2O3[30,31,32,33,34,35]和以溶膠或凝膠形式加入氧化物作為燒結(jié)助劑的研究,這些主要是為了降低燒結(jié)過程中形成液相的溫度和提高產(chǎn)品的熱導(dǎo)率與抗氧化性能。ZhouY等人研究了使用La2O3-Y2O3代替Al2O3制得的碳化硅陶瓷的熱學(xué)性能,結(jié)果表明,稀土元素氧化物代替Al2O3制得的碳化硅陶瓷,其熱導(dǎo)率由原來的71W/(m·K)提高至200W/(m·K),其熱導(dǎo)率提高的原因主要是由于碳化硅晶格中的氧含量減少,碳化硅晶粒之間的接觸面積增加和β-SiC到α-SiC之間的相轉(zhuǎn)變減少造成的,而以Al2O3作為燒結(jié)助劑的碳化硅陶瓷熱導(dǎo)率較低,這主要是由于進入碳化硅晶格中的Al2O3分解形成的點缺陷和碳化硅在燒結(jié)過程中產(chǎn)生的相轉(zhuǎn)變造成的。除了上述Al2O3、Y2O3和稀土金屬氧化物之外,BeO也是液相燒結(jié)碳化硅非常重要的一種燒結(jié)助劑。TanakaS和SafaralievGK等人分別研究了SiC-BeO系統(tǒng)的燒結(jié)性能,當(dāng)在熱壓燒結(jié)的碳化硅坯體中加入很少質(zhì)量分數(shù)的BeO(1wt%或更少),得到的碳化硅陶瓷具有非常薄的晶界,這些晶界會導(dǎo)致材料的電導(dǎo)率下降。氧化物燒結(jié)助劑的一個特點是由于碳化硅晶粒在液相中長大可以形成不同的結(jié)構(gòu)。為了實現(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)的原位控制和提高產(chǎn)品的機械強度,很多人結(jié)合熱壓的方法研究碳化硅的液相燒結(jié),如SacksMD等人以預(yù)先加入晶種的方式控制晶粒各向異性生長,使碳化硅晶粒發(fā)展成較大的版條狀組織。使用氧化物作為添加劑的無壓液相燒結(jié)很難得到致密度較高的碳化硅陶瓷,因此在工業(yè)生產(chǎn)中并不多見。無壓固相燒結(jié)的溫度較高,而液相燒結(jié)過程則通過在燒結(jié)過程中形成的液相有效地降低了燒結(jié)溫度,因此近年來受到越來越廣泛的關(guān)注。2002年,中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所的廖陸林等人研究了以含鋁、硼、碳的化合物為燒結(jié)助劑的碳化硅液相燒結(jié),通過優(yōu)化燒結(jié)助劑的配比,在1850℃燒結(jié)1h得到了相對密度為90%的碳化硅陶瓷。2006年,廈門大學(xué)的周偉等人研究了不同的燒結(jié)助劑對碳化硅液相燒結(jié)行為的影響,當(dāng)燒結(jié)助劑中的Al2O3和Y2O3的比例與釔鋁石榴石(YAG)的化學(xué)計量比相吻合時,碳化硅坯體具有最好的致密化效果。2007年,美國的CupidDM等人通過理論計算給出了液相燒結(jié)過程中SiC-Al2O3、SiC-Al2O3-SiO2和SiC-Y2O3-SiO2系統(tǒng)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)。之后,西班牙的Borrero-LópezO等人研究了添加10wt%的Y2O3和Al2O3作為燒結(jié)助劑的碳化硅坯體的液相燒結(jié)性能,結(jié)果表明不同的氣氛和燒結(jié)時間對產(chǎn)品的硬度都有影響。當(dāng)在氬氣氣氛中燒結(jié)時,得到的產(chǎn)品硬度隨燒結(jié)時間的延長顯著下降,而在氮氣氣氛中燒結(jié)時,其硬度隨燒結(jié)時間的延長下降并不明顯。波蘭的GubernatA等人研究了以Al2O3+Y2O3和Al2O3+Y2O3+MgO作為燒結(jié)助劑的無壓液相燒結(jié)碳化硅陶瓷的組織和力學(xué)性能,結(jié)果表明這些氧化物添加劑能有效地促進碳化硅燒結(jié)和提高碳化硅陶瓷的彎曲強度、斷裂韌性和硬度等力學(xué)性能。ZhangT等人通過凝膠注模成型制得了含有Al2O3和Y2O3的碳化硅坯體,經(jīng)過液相燒結(jié)得到的碳化硅陶瓷,其理論密度可達97.3±0.4%,強度和硬度分別為637±156MPa和20.68±0.80GPa。2008年,西北第二民族學(xué)院的吳瀾爾等人采用AlN和Re2O3作為燒結(jié)助劑液相燒結(jié)得到碳化硅的陶瓷,通過調(diào)整適當(dāng)?shù)呐浔?可得到抗彎強度高達800MPa的碳化硅陶瓷。西南科技大學(xué)的徐光亮等人采用等靜壓成型制備碳化硅的生坯,經(jīng)過無壓液相燒結(jié)制得碳化硅的陶瓷,當(dāng)燒結(jié)助劑(Al2O3+Y2O3)的含量為12wt%時,經(jīng)1900℃燒結(jié)30min可得到相對密度為98.3%的碳化硅陶瓷。2009年,北方民族大學(xué)的陳宇紅等人以AlN和Y2O3為燒結(jié)助劑制備出液相燒結(jié)碳化硅陶瓷,結(jié)果表明,燒結(jié)助劑的含量越高,有利于降低坯體的燒結(jié)溫度,但同時會由于液相的揮發(fā)而降低陶瓷的密度,當(dāng)燒結(jié)助劑中含有AlN時,坯體在N2氣氛下的燒結(jié)性能要優(yōu)于在Ar氣氛下的燒結(jié)性能。1.4熱壓燒結(jié)碳化硅坯體的制備熱壓燒結(jié)法和熱等靜壓燒結(jié)法通常用于制備燒結(jié)比較困難的致密材料,它們的工藝成本較高,且難以制備大尺寸的和形狀復(fù)雜的部件。但在半導(dǎo)體制造領(lǐng)域,對制造精密儀器和部件所需要的陶瓷材料的性能要求非常高,這類陶瓷材料的成分控制、純度和致密化程度的重要性遠遠高于對經(jīng)濟成本的考量。另外,產(chǎn)品的附加值高,這也使熱壓燒結(jié)和熱等靜壓燒結(jié)顯得尤為重要。1975年,美國的BiggersJV等人在碳化硅坯體中加入1wt%的碳化硼,在1950℃得到了接近理論密度的熱壓燒結(jié)碳化硅。1978年,BindJM等人研究了加入2wt%氧化鋁的立方碳化硅坯體在1600~2100℃之間的相變過程,在1800℃和1900℃時,分別有6H和4H多型體出現(xiàn),立方碳化硅在2000℃以上全部消失。1993年,SheJH等人分別以B4C、AlN和Al2O3作為添加劑,研究了它們對亞微米的α-SiC粉料制成的坯體在熱等靜壓燒結(jié)過程中的致密化程度、力學(xué)性能和氧化行為的影響,結(jié)果表明坯體的致密化過程主要是由于碳化硅表面的SiO2和添加劑之間形成低共熔的液相而在坯體內(nèi)部產(chǎn)生的液相燒結(jié)的結(jié)果。熱壓和熱等靜壓燒結(jié)雖然只能制備形狀簡單,尺寸較小的樣品,但在熱壓和燒結(jié)助劑的作用下可以在較低的溫度制備出高致密度的碳化硅陶瓷。2007年,西北工業(yè)大學(xué)的唐漢玲等人制備出相對密度大于99%的熱壓燒結(jié)碳化硅陶瓷,并研究了預(yù)氧化處理對碳化硅陶瓷的抗氧化性能的影響。2009年,中國工程物理研究院謝茂林等人在不添加燒結(jié)助劑的條件下采用壓力燒結(jié)制得碳化硅致密陶瓷,晶粒長大得到很好的抑制,但燒結(jié)體的相對密度僅為96%。日本的LeeJS等人研究了Al、Si、C的三元化合物(Al4SiC4)的熱分解現(xiàn)象,提出了以Al4SiC4作為碳化硅燒結(jié)助劑的可行性,通過向碳化硅坯體中加入10wt%的Al4SiC4,并在1700℃下熱壓燒結(jié)2h,成功制得了大顆粒的碳化硅致密陶瓷。韓國的KimBA等人以Y3Al5O12為燒結(jié)助劑,在1800℃的真空氣氛中熱壓燒結(jié)2h,得到了碳化硅的致密陶瓷,樣品的密度、彎曲強度、硬度和斷裂韌性等力學(xué)性能隨添加劑數(shù)量的增加而有所提高,其彎曲強度約為630MPa,而將熱壓燒結(jié)得到的樣品在1200℃的氧化氣氛中退火2h后,其彎曲強度提高至720MPa。2010年,日本的HirataY等人以Al2O3和Y2O3為燒結(jié)助劑,在1900~1950℃下制備出相對密度為97.3~99.2%的碳化硅熱壓陶瓷,并研究了碳化硅原料粉末的顆粒尺寸對熱壓燒結(jié)碳化硅微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響,結(jié)果表明,材料的斷裂韌性與晶界的厚度有關(guān),而晶界的厚度則取決于碳化硅原料粉末的顆粒尺寸和添加劑的數(shù)量,通過調(diào)整原料粉體的顆粒級配,可以減小晶界的厚度,獲得斷裂韌性和強度較高的碳化硅陶瓷。1.5其他制備方法1.5.1等離子體燒結(jié)制備碳化硅陶瓷火花等離子體燒結(jié)制備碳化硅致密陶瓷是近幾年才發(fā)展起來的燒結(jié)技術(shù),首先將原料粉體置于石墨模具中,然后快速升溫并對坯體施加單軸壓力和直流電脈沖,在幾分鐘內(nèi)可以完成燒結(jié)?；鸹ǖ入x子體燒結(jié)可以在較低的溫度下實現(xiàn)碳化硅的致密燒結(jié)并抑制晶粒長大?；鸹ǖ入x子體燒結(jié)主要是通過在顆粒之間的接觸電產(chǎn)生等離子體而實現(xiàn)質(zhì)量傳輸?shù)倪^程。根據(jù)傳統(tǒng)的燒結(jié)理論,表面擴散可以促進晶粒長大,但并不能實現(xiàn)坯體的致密化。表面擴散的擴散激活能較低,而晶界擴散和體擴散的擴散激活能較高,也就是說,后者只有在很高的溫度下才能實現(xiàn)?；鸹ǖ入x子體燒結(jié)可以通過低溫下的表面擴散避免晶粒長大,然后通過高溫下的體擴散實現(xiàn)坯體致密化,目前還沒有成熟的理論證據(jù)證明這種機理的正確性,但這種加壓和快速升溫并提供直流脈沖的燒結(jié)方法在制備碳化硅致密陶瓷的效果方面卻是顯而易見的?；鸹ǖ入x子體燒結(jié)制備的碳化硅陶瓷具有燒結(jié)速率快和晶粒尺寸小的優(yōu)點,其相對密度可達98~99.5%。2009年,LeeSH等人以Al3BC3和Al8B4C7作為燒結(jié)助劑,采用火花等離子體燒結(jié)制備碳化硅陶瓷,在1670℃時坯體已經(jīng)完成致密化,密度最高可達3.17g/cm3,硬度為21.6GPa。2010年,日本的HottaM等人以AlN和Y2O3作為燒結(jié)助劑,以納米級β-SiC微粉作為碳化硅源,在N2氣氛中采用火花等離子體燒結(jié)制備碳化硅陶瓷,燒結(jié)溫度為1900℃,樣品的相對密度隨AlN含量的增加而增大,最高可達99%,同時晶粒尺寸隨燒結(jié)助劑含量的增加而減小,最小的晶粒平均尺寸為150nm,當(dāng)AlN和Y2O3的摩爾比為7∶3,燒結(jié)助劑的總量占坯體體積分數(shù)的10%時,制得的產(chǎn)品具有優(yōu)異的力學(xué)性能,其彎曲強度可達1000MPa。北京科技大學(xué)的張勇等人以Al2O3和Y2O3為燒結(jié)助劑,采用火花等離子體法制備碳化硅致密陶瓷,經(jīng)過1600℃,5min的燒結(jié),獲得了相對密度達99.1%的碳化硅陶瓷,其硬度和彎曲強度分別為25GPa和684MPa。1.5.2碳化硅多晶陶瓷的制備1978年,TairovYM和TsvetkovVF等人首次采用高溫物理氣相傳輸法制備出大尺寸的碳化硅單晶,由于工藝的特殊性,高溫物理氣相傳輸法制得的產(chǎn)品具有較高的純度和致密度,但其應(yīng)用領(lǐng)域一直局限于單晶產(chǎn)品的制備。2011年,西安交通大學(xué)戴培?等人首次將此方法用于制備碳化硅陶瓷,在相關(guān)研究工作的基礎(chǔ)上建立了碳