1、無(wú)壓燒結(jié)
1974年美國(guó)GE公司通過(guò)在高純度β-SiC細(xì)粉中同時(shí)加入少量的B和C,采用無(wú)壓燒結(jié)工藝,于2020℃成功地獲得高密度SiC陶瓷。目前,該工藝已成為制備SiC陶瓷的主要方法。
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(shí)現(xiàn)SiC的致密燒結(jié)。由于燒結(jié)溫度低而具有明顯細(xì)化的微觀(guān)結(jié)構(gòu),因而,其強(qiáng)度和韌性大大改善。
2、熱壓燒結(jié) 50年代中期,美國(guó)Norton公司就開(kāi)始研究B、Ni、Cr、Fe、Al等金屬添加物對(duì)SiC熱壓燒結(jié)的影響。實(shí)驗(yàn)表明:Al和Fe是促進(jìn)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(guò)熱壓燒結(jié)工藝,也實(shí)現(xiàn)了SiC的致密化,并認(rèn)為其機(jī)理是液相燒結(jié)。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(jié),也都獲得了致密SiC陶瓷。 3、熱等靜壓燒結(jié): 近年來(lái),為進(jìn)一步提高SiC陶瓷的力學(xué)性能,研究人員進(jìn)行了SiC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(jié)工藝,在1900℃便獲得高密度SiC燒結(jié)體。更進(jìn)一步,通過(guò)該工藝,在2000℃和138MPa壓力下,成功實(shí)現(xiàn)無(wú)添加劑SiC陶瓷的致密燒結(jié)。 研究表明:當(dāng)SiC粉末的粒徑小于0.6μm時(shí),即使不引入任何添加劑,通過(guò)熱等靜壓燒結(jié),在1950℃即可使其致密化。 4、反應(yīng)燒結(jié): SiC的反應(yīng)燒結(jié)法最早在美國(guó)研究成功。反應(yīng)燒結(jié)的工藝過(guò)程為:先將α-SiC粉和石墨粉按比例混勻,經(jīng)干壓、擠壓或注漿等方法制成多孔坯體。在高溫下與液態(tài)Si接觸,坯體中的C與滲入的Si反應(yīng),生成β-SiC,并與α-SiC相結(jié)合,過(guò)量的Si填充于氣孔,從而得到無(wú)孔致密的反應(yīng)燒結(jié)體。反應(yīng)燒結(jié)SiC通常含有8%的游離Si。因此,為保證滲Si的完全,素坯應(yīng)具有足夠的孔隙度。一般通過(guò)調(diào)整最初混合料中α-SiC和C的含量,α-SiC的粒度級(jí)配,C的形狀和粒度以及成型壓力等手段來(lái)獲得適當(dāng)?shù)乃嘏髅芏取?/span> 綜述:實(shí)驗(yàn)表明,采用無(wú)壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)和反應(yīng)燒結(jié)的SiC陶瓷具有各異的性能特點(diǎn)。假如就燒結(jié)密度和抗彎強(qiáng)度來(lái)說(shuō),熱壓燒結(jié)和熱等靜壓燒結(jié)SiC陶瓷相對(duì)較高,反應(yīng)燒結(jié)SiC相對(duì)較低。另一方面,SiC陶瓷的力學(xué)性能還隨燒結(jié)添加劑的不同而不同。無(wú)壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)和反應(yīng)燒結(jié)SiC陶瓷對(duì)強(qiáng)酸、強(qiáng)堿具有良好的抵抗力,但反應(yīng)燒結(jié)SiC陶瓷對(duì)HF等超強(qiáng)酸的抗蝕性較差。就耐高溫性能比較來(lái)看,當(dāng)溫度低于900℃時(shí),幾乎所有SiC陶瓷強(qiáng)度均有所提高;當(dāng)溫度超過(guò)1400℃時(shí),反應(yīng)燒結(jié)SiC陶瓷抗彎強(qiáng)度急劇下降。(這是由于燒結(jié)體中含有一定量的游離Si,當(dāng)超過(guò)一定溫度抗彎強(qiáng)度急劇下降所致)對(duì)于無(wú)壓燒結(jié)和熱等靜壓燒結(jié)的SiC陶瓷,其耐高溫性能主要受添加劑種類(lèi)的影響。 碳化硅陶瓷的應(yīng)用 由于碳化硅陶瓷所具有的高硬度、高耐腐蝕性以及較高的高溫強(qiáng)度,使得碳化硅陶瓷得到了廣泛的應(yīng)用。主要有以下幾個(gè)方面: 密封環(huán):碳化硅陶瓷的耐化學(xué)腐蝕性好、強(qiáng)度高、硬度高,耐磨性能好、摩擦系數(shù)小,且耐高溫,因而是制造密封環(huán)的理想材料。它與石墨材料組合配對(duì)時(shí),其摩擦系數(shù)比氧化鋁陶瓷和硬質(zhì)合金小,因而可用于高PV值,特別是輸送強(qiáng)酸、強(qiáng)堿的工況中使用。 研磨介質(zhì):碳化硅陶瓷由于其高硬度的特點(diǎn)而廣泛用于耐磨機(jī)械零件中,特別是球磨機(jī)中的研磨介質(zhì)(磨介)。球磨機(jī)中所用的磨介對(duì)研磨效率有著重要的影響,其基本要求是硬度高、韌性好,以保證研磨效率高、摻雜少的要求。 防彈板:碳化硅陶瓷由于硬度高、比重小、彈道性能較好、價(jià)格較低,而廣泛用于防彈裝甲中,如車(chē)輛、艦船的防護(hù)以及民用保險(xiǎn)柜、運(yùn)鈔車(chē)的防護(hù)中。碳化硅陶瓷的彈道性能優(yōu)于氧化鋁陶瓷,約為碳化硼陶瓷的70-80%,但由于價(jià)格較低,特別適合用于用量大,且防護(hù)裝甲不能過(guò)厚、過(guò)重的場(chǎng)合。 噴嘴:作噴嘴的陶瓷材料有多種,常用的是氧化鋁、碳化硅和碳化硼陶瓷等。氧化鋁陶瓷噴嘴的價(jià)格低,但由于硬度低,其耐磨性較差,多用于噴砂工作量不大的場(chǎng)合。碳化硅陶瓷的使用壽命是氧化鋁陶瓷的3-5倍,與硬質(zhì)合金相當(dāng),多用于硬質(zhì)合金的替代品,特別是在手持噴槍的工況中使用。 磁力泵泵件:隨著工業(yè)化的發(fā)展,特別是ISO14000國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的貫徹執(zhí)行,對(duì)不利于環(huán)境保護(hù)液體的輸運(yùn)提出了更高的要求。磁力泵由于采用靜密封代替機(jī)械密封、填料密封等動(dòng)密封,因而泄漏更小、可靠性更高、使用壽命更長(zhǎng)。 高溫耐蝕部件:碳化硅陶瓷最重要的特性之一是它的高溫強(qiáng)度,即在1600oC時(shí)強(qiáng)度基本不降低,且抗氧化性能非常好,因而可在高溫結(jié)構(gòu)件中使用。如高溫爐的頂板、支架,以及高溫實(shí)驗(yàn)用的卡具等。 小結(jié):SiC陶瓷在許多工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用顯示了優(yōu)良的性能,因而引起了人們的普遍重視。在無(wú)機(jī)非金屬材料領(lǐng)域中SiC陶瓷是一個(gè)很大的家族,其觸角幾乎伸遍了所有的工業(yè)領(lǐng)域。但是由于SiC陶瓷的難燒結(jié)性,因而它的制作工藝和生產(chǎn)都較昂貴,降低SiC陶瓷的燒成溫度和尋找新的廉價(jià)的生產(chǎn)工藝仍是材料工作者的研究重點(diǎn)。同時(shí)挖掘和開(kāi)發(fā)SiC陶瓷(粉末)的所有優(yōu)點(diǎn)造福于人類(lèi)也是我們工作的重點(diǎn)。SiC陶瓷有它廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。