目前制備高溫SiC陶瓷的方法主要有無(wú)壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)、反應(yīng)燒結(jié)等。不同的燒結(jié)方法得到的SiC陶瓷的性能也各不一樣。國(guó)內(nèi)外很多研究致力于添加適當(dāng)?shù)臒Y(jié)助劑以便有效促進(jìn)SiC熱壓燒結(jié)。熱壓燒結(jié)雖然降低燒結(jié)溫度，得到較致密和抗彎強(qiáng)度高的SiC陶瓷 ，但是熱壓工藝效率低，很難制造形狀復(fù)雜的SiC部件，不利于工業(yè)化生產(chǎn)。許多研究人員采取熱等靜壓(HIP)燒結(jié)工藝制備SiC陶瓷，并取得了良好效果。雖然熱等靜壓燒結(jié)能獲得形狀復(fù)雜且力學(xué)性能較好的致密SiC制品，但是因HIP燒結(jié)必須對(duì)素坯進(jìn)行包封，所以目前難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。
自結(jié)合SiC制備基本上是一種反應(yīng)燒結(jié)過(guò)程，反應(yīng)燒結(jié)過(guò)程通常在真空下用感應(yīng)加熱石墨坩堝來(lái)完成。自結(jié)合SiC的強(qiáng)度在1400℃以前基本上與Si含量無(wú)關(guān)，超過(guò)1400℃由于Si的熔化，強(qiáng)度驟降，不能滿足結(jié)構(gòu)陶瓷的性能要求 。常壓燒結(jié)被認(rèn)為是SiC燒結(jié)最有前途的燒結(jié)方法，通過(guò)常壓燒結(jié)工藝可以制備出大尺寸和復(fù)雜形狀的SiC陶瓷制品，且成本低，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。
由于碳化硅陶瓷的難燒結(jié)性，其燒結(jié)通常需在很高溫度（2300～2400℃）下進(jìn)行，并且需要加入少量添加劑 才可致密。故在對(duì)SiC陶瓷的各項(xiàng)性能影響盡可能小的條件下，最大程度地降低其燒結(jié)溫度是目前研究的主題。本文采用亞微米級(jí)碳化硅細(xì)粉，加入少量合適的燒結(jié)添加劑，用干壓成型及無(wú)壓燒結(jié)這兩個(gè)簡(jiǎn)單易行的工藝制備出碳化硅陶瓷樣品，并研究了不同燒結(jié)溫度工藝下碳化硅陶瓷燒結(jié)體的密度。

一? 實(shí)驗(yàn)部分

1.??實(shí)驗(yàn)用原料及主要儀器

實(shí)驗(yàn)用原料為碳化硅粉，燒結(jié)助劑為碳和硼（C＋B），實(shí)驗(yàn)用儀器名稱和用途見(jiàn)表1.1。

儀器名稱型號(hào)
用途
干壓機(jī)
50
干壓成型碳化硅胚體
真空燒結(jié)爐
SYL-600
常壓燒結(jié)碳化硅
電子天平
AR2140
用來(lái)測(cè)量碳化硅陶瓷的密度
臥軸矩臺(tái)平面磨床
HZ-Y150
對(duì)碳化硅陶瓷進(jìn)行磨光
研磨拋光機(jī)
UNIPOL-1502
對(duì)陶瓷進(jìn)行粗拋光
拋光機(jī)
60-1970
對(duì)陶瓷進(jìn)行精拋光切割機(jī)
11-2675
把碳化硅切成小條掃描電鏡
SS-550
迎來(lái)觀測(cè)碳化硅陶瓷樣品的顯微組織

表1.1實(shí)驗(yàn)用主要儀器

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的工藝流程如圖 .1所示：

碳化硅陶瓷樣品的制備工藝過(guò)程如下：

（1）原料準(zhǔn)備。將碳化硅粉料按組分配比加入燒結(jié)助劑碳和硼（各占1%～2%），進(jìn)行混合，并過(guò)篩以備用。

（2）坯體的成型。本實(shí)驗(yàn)采用干壓法制備碳化硅陶瓷的坯體。具體步驟為：將稱量好的粉料倒入金屬壓模(一般為鋼制)中，壓平后，把金屬壓模放在壓機(jī)壓頭下，然后以16噸的壓力通過(guò)壓機(jī)壓頭進(jìn)行單向加壓（因?yàn)闃悠返腍/D值很小，采用單向加壓對(duì)坯體質(zhì)量影響不大），保壓5分鐘后進(jìn)行脫模。毛坯為方塊。對(duì)壓好的素坯，用游標(biāo)卡尺測(cè)量其尺寸，用電子稱稱其重量。
（3）燒結(jié)。把碳化硅毛坯放入真空燒結(jié)爐內(nèi)進(jìn)行無(wú)壓燒結(jié)。將素坯置于有氮化硼的石墨坩堝中。在燒結(jié)時(shí)，用流動(dòng)的氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣氛。燒結(jié)結(jié)束時(shí)切斷電源，自行冷卻。氮化硼是用來(lái)防止 樣品互相粘結(jié)的。對(duì)燒結(jié)好的制品測(cè)量其尺寸、重量，計(jì)算燒失率與線收縮率。
本實(shí)驗(yàn)一共有五組。燒結(jié)工藝為：溫度從0℃經(jīng)過(guò)120分鐘的升溫升到1000℃，再經(jīng)過(guò)25分鐘升到1250℃，保溫20分鐘后，用60分鐘升到1850℃，再保溫30分鐘，A組用40分鐘升到2130℃，B組用45分鐘升到2160℃，C組用50分鐘升到2190℃，D組用55分鐘升到2220℃，E組用60分鐘升到2250℃。當(dāng)升到指定的溫度后，各組都保溫60分鐘后進(jìn)行自行冷卻。燒結(jié)過(guò)程溫度制圖如圖1.2所示。

燒結(jié)助劑（C＋B）對(duì)碳化硅陶瓷密度的影響如圖1.3，圖1.4所示。

添加（C＋B）使SiC燒結(jié)活化的原因，綜合起來(lái)有如下說(shuō)法：

①B的加入使SiC晶格產(chǎn)生缺陷促進(jìn)了固態(tài)擴(kuò)散。一種可能的缺陷是三價(jià)B進(jìn)入亞晶格中，要求一個(gè)電子來(lái)完成鍵對(duì)，產(chǎn)生一個(gè)帶中性的空穴(H)和一個(gè)空位(V)。另一種可能的反應(yīng)是B占據(jù)一個(gè)Si的位置，產(chǎn)生一個(gè)中性空穴（h），C進(jìn)入C的位置 。

②認(rèn)為B與SiC形成固溶體，降低了晶界能γ，C有利于除去SiC表面的SiO，增加SiC的表面能γ。
③根據(jù)三個(gè)柱狀粉燒結(jié)時(shí)形成三棱形管狀孔隙模型 ，當(dāng)固-固界面和氣孔平衡時(shí)，管狀氣 孔主等邊三角截面，這時(shí)孔槽角為60°。設(shè)γ為兩粉末顆粒間的界面自由能，γ 為 顆粒表面的自由能，這時(shí)晶界能γ＝γ，氣孔即不收縮，也不擴(kuò)大，系統(tǒng)達(dá)到平衡。如果γ＞ γ ，管狀氣孔的槽角就大于60°，氣孔增大；如果γ ＜ γ，管狀氣孔槽角就小于60°，氣孔收縮 。
（4）樣品加工。燒結(jié)出來(lái)的樣品要進(jìn)行加工，首先在平面磨床上進(jìn)行磨削加工，除去樣品上多余的材料，使樣品達(dá)到所需要的尺寸。然后在研磨拋光機(jī)上進(jìn)行粗拋光，再在60-1970型拋光機(jī)上進(jìn)行精拋光，使樣品的表面光潔度達(dá)到鏡面，即表面看上去很亮很平，沒(méi)有劃痕后備用。

二.??結(jié)果與討論

為了計(jì)算出燒結(jié)體的燒失率、線收縮率，必須測(cè)量出素坯的尺寸、重量。用游標(biāo)卡尺量出素坯的長(zhǎng)、寬、高，電子稱稱出素坯的重量，按公式2.1計(jì)算出素坯的密度。

素坯的密度＝素坯的重量÷素坯的體積 （2.1）

燒結(jié)后參數(shù)測(cè)量采用電子天平測(cè)出重量，游標(biāo)卡尺測(cè)量燒結(jié)體的長(zhǎng)、寬、高，公式2.2，2.3計(jì)算出燒結(jié)體的線收縮率，公式2.4算出燒結(jié)體的燒失率，阿基米德法測(cè)出燒結(jié)體的密度。

橫向收縮率＝[素坯的(長(zhǎng)＋寬)÷2－燒結(jié)體的(長(zhǎng)＋寬)÷2]÷素坯的(長(zhǎng)＋寬)÷2×100% （2.2）

縱向收縮率＝[素坯的高－燒結(jié)體的高]÷素坯的高×100%（2.3）

燒失率＝（素坯的重量－燒結(jié)體的重量）÷素坯的重量×100%（2.4）

阿基米德法測(cè)燒結(jié)體的密度的基本步驟為：把磨光后的燒結(jié)體[由于在較高溫度下，碳化硅燒結(jié)體在燒結(jié)過(guò)程中出現(xiàn)了結(jié)晶（第四組燒結(jié)體表面有少量的結(jié)晶，第五組燒結(jié)體的結(jié)晶程度較大），使燒結(jié)體的表面凹凸不平，在測(cè)量其濕重時(shí)會(huì)產(chǎn)生氣泡，影響燒結(jié)體的體積，進(jìn)而影響它們的密度，故把燒結(jié)體進(jìn)行磨光后再測(cè)量其密度。]先用電子天平測(cè)其干重，再測(cè)濕重，然后用公式2.5算出燒結(jié)體的密度。

燒結(jié)體的密度＝干重÷(干重－濕重) （2.5）

1.??燒結(jié)溫度與密度

圖2.1為燒結(jié)溫度與燒結(jié)體密度之間的關(guān)系曲線，從圖中可以 看出，燒結(jié)溫度與SiC陶瓷燒結(jié)體密度之間的曲線并不是呈線性的，而是有一個(gè)最佳的組合點(diǎn)，即當(dāng)燒結(jié)溫度約為2200℃，燒結(jié)體有最大的密度。

2.? 燒結(jié)溫度與燒失率

圖2.2為SiC燒結(jié)溫度與燒失率的關(guān)系曲線圖，從圖2.2可以看出，在2160℃以前，燒失率隨著燒結(jié)溫度的升高而小幅度的降低；在2160℃到2190℃之間，燒失率變化不大，在約2170℃時(shí)最?。辉?190℃以后，燒結(jié)溫度-燒失率曲線隨著燒結(jié)溫度的升高而呈現(xiàn)較大幅度的上升趨勢(shì)。

3.? 燒結(jié)溫度與收縮率

圖2.3為SiC燒結(jié)溫度與燒結(jié)體線收縮率的關(guān)系曲線，從圖2.3可以看出，SiC燒結(jié)體的線收縮率隨著燒結(jié)溫度的升高呈現(xiàn)出高低起伏的變化。在2130℃至2250℃之間，當(dāng)T≤2190℃，橫向收縮率曲線隨著溫度的升高呈上升趨勢(shì)；當(dāng)溫度在2190℃-2220℃時(shí)，橫向收縮率隨著燒結(jié)溫度的升高而下降；當(dāng)T≥2220℃時(shí)，收縮率曲線又隨著溫度的升高而上揚(yáng)。2130℃時(shí)有最小的橫向收縮率。

在燒結(jié)中所選溫度范圍內(nèi)，當(dāng)T≤2180℃，縱向收縮率隨著燒結(jié)溫度的增加而上升；當(dāng)2180℃≤T≤2220℃，收縮率曲線隨著溫度的上升而下降；當(dāng)T≥2220℃時(shí)，曲線再次出現(xiàn)上揚(yáng)的趨勢(shì)；在2130℃時(shí)，縱向收縮率最小。從兩條曲線可以看出，在燒結(jié)溫度為2130℃時(shí)，橫向和縱向收縮率都最小。

4.? 樣品的顯微組織形貌

為了了解燒結(jié)體的顯微形貌，我們用SEM對(duì)燒結(jié)體進(jìn)行了觀測(cè)，圖2.4、2.5、2.6為燒結(jié)體微觀形貌照?qǐng)D片。從上面的顯微組織形貌圖可以看出，每幅圖上都有微孔。這些微孔影響著燒結(jié)體的密度。圖2.5，2130℃燒結(jié)溫度下燒結(jié)體掃描電鏡圖里的微孔多而小，圖2.4，2220℃燒結(jié)溫度下燒結(jié)體SEM里的微孔數(shù)量比圖2.5的少了一些，但比圖2.5的大，圖2.6，2250℃燒結(jié)溫度下燒結(jié)體SEM里的微孔數(shù)量比圖2.4的又少了一些，但這些微孔已經(jīng)變得很粗大了，不但影響著陶瓷的密度，還影響著陶瓷的性能。

三 結(jié)論

通過(guò)研究不同燒結(jié)溫度工藝下碳化硅陶瓷燒結(jié)體的基本參數(shù)，得出以下結(jié)論：

（1）在本實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)燒結(jié)溫度約為2200℃，碳化硅燒結(jié)體最致密化，此時(shí)的燒失率比較小，但不是最低值，線收縮率也不是很大。

（2）燒結(jié)溫度為2160℃到2190℃之間時(shí)，燒失率很小，低于5%；在約2170℃時(shí)最小，此時(shí)燒結(jié)體密度曲線呈現(xiàn)出較陡的上升趨勢(shì)，橫向收縮曲線呈現(xiàn)比密度曲線陡的幅度上升，而縱向收縮曲線較平緩，但值相對(duì)較大。

（3）在2130℃時(shí)，線收縮率最小，此時(shí)在所選燒結(jié)溫度范圍內(nèi)，燒結(jié)體的密度最低，燒失率也較大。

（4）從掃描電鏡圖可以得知，燒結(jié)體微孔數(shù)量多少的排列順序?yàn)椋?130℃的＞2220℃的＞2250℃的；燒結(jié)體微孔深淺程度的排列順序?yàn)椋?250℃的＞2220℃的＞2130℃的。

（5）綜合以上（1）、（2）、（3）、（4）的敘述和結(jié)合圖2.1、2.2、2.3、2.4、2.5及2.6可以得出，當(dāng)燒結(jié)溫度為2200℃時(shí)，碳化硅燒結(jié)體有較好的基本參數(shù)，如（1）所述。