中國粉體網(wǎng)訊  碳化硅（SiC）陶瓷因具有低熱膨脹系數(shù)、高導(dǎo)熱系數(shù)、高硬度、良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，在高溫結(jié)構(gòu)陶瓷中占有重要一席之地，被廣泛應(yīng)用于航空航天、核能、軍事和半導(dǎo)體等領(lǐng)域。

碳化硅陶瓷產(chǎn)品，來源：三責(zé)新材

由于SiC具有極強(qiáng)的共價(jià)鍵和極低的擴(kuò)散系數(shù)，SiC陶瓷完全致密化的難度很大，為此開發(fā)出多種SiC陶瓷的燒結(jié)技術(shù)，包括反應(yīng)燒結(jié)、無壓固相燒結(jié)、無壓液相燒結(jié)、熱壓燒結(jié)和重結(jié)晶燒結(jié)等等。這些不同的燒結(jié)技術(shù)均有獨(dú)特的優(yōu)勢，制備的SiC陶瓷在微觀結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)用領(lǐng)域等方面也有所不同。而這些不同類型的碳化硅陶瓷你都能分清嗎？

無壓燒結(jié)SiC陶瓷（S-SiC）

 無壓燒結(jié)被認(rèn)為是SiC燒結(jié)最有前途的燒結(jié)方法，該方法可適配多種成型工藝，生產(chǎn)成本較低，不受形狀尺寸的限制，是最常見、最容易實(shí)現(xiàn)批量操作的燒結(jié)方式。

無壓燒結(jié)是對含有微量氧的β-SiC中添加硼和碳，在2000℃左右，惰性氣氛中燒結(jié)可獲得98%理論密度的碳化硅燒結(jié)體。該方法一般有兩種方法：固相燒結(jié)和液相燒結(jié)。其中無壓固相燒結(jié)碳化硅致密性強(qiáng)、純度高，尤其是它還具有獨(dú)特的高導(dǎo)熱性和優(yōu)異的高溫強(qiáng)度等性能，易于加工成尺寸大、形狀復(fù)雜的陶瓷器件。

無壓燒結(jié)碳化硅產(chǎn)品：(a)陶瓷密封件；(b)陶瓷軸承；(c)防彈板

在應(yīng)用方面，SiC的無壓燒結(jié)操作簡單，成本適中，適用于不同形狀的陶瓷零部件的批量化生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于的耐磨損耐腐蝕的密封環(huán)、滑動(dòng)軸承等。此外，無壓燒結(jié)碳化硅陶瓷因其硬度高、比重小、彈道性能好、破碎后吸收更多能量的能力和價(jià)格低廉而被廣泛應(yīng)用于防彈裝甲，如車輛和船只的保護(hù)，以及民用保險(xiǎn)箱和運(yùn)鈔車的保護(hù)。作為防彈裝甲材料，它具有很好的耐多擊性，整體防護(hù)效果優(yōu)于普通碳化硅陶瓷；用于圓柱形陶瓷體輕防護(hù)裝甲時(shí)，其斷裂點(diǎn)可達(dá)65噸以上，防護(hù)效果明顯優(yōu)于使用普通碳化硅陶瓷的圓柱形陶瓷體防護(hù)裝甲。

反應(yīng)燒結(jié)SiC陶瓷（RB-SiC）

反應(yīng)燒結(jié)SiC是一種極具吸引力的結(jié)構(gòu)陶瓷，具有高強(qiáng)度、耐腐蝕性、抗氧化性等優(yōu)異的機(jī)械性能，此外還具有燒結(jié)溫度低、燒結(jié)成本低和近凈尺寸成型燒結(jié)的突出特點(diǎn)。

反應(yīng)燒結(jié)工藝流程簡單，它是將碳源和SiC粉體混合制備出坯體，然后在高溫毛細(xì)管力的作用下將熔融硅滲入多孔坯體中，并與坯體內(nèi)部的碳源反應(yīng)生成β-SiC相，同時(shí)與原α-SiC緊密結(jié)合在一起，剩余的孔隙被液硅填充，從而實(shí)現(xiàn)陶瓷材料的致密化燒結(jié)。在燒結(jié)過程中尺寸縮小、近凈尺寸成型，可以按需制備形狀復(fù)雜的樣品，因此被廣泛應(yīng)用于各種陶瓷制品的工業(yè)化生產(chǎn)。

反應(yīng)燒結(jié)SiC陶瓷的應(yīng)用

在應(yīng)用方面，高溫窯具材料、輻射管、熱交換器、脫硫噴嘴等均是反應(yīng)燒結(jié)碳化硅陶瓷的典型應(yīng)用。同時(shí)，由于碳化硅具有較低的熱膨脹系數(shù)和較高的彈性模量，以及近凈尺寸成型燒結(jié)等特點(diǎn)，反應(yīng)燒結(jié)碳化硅也成為空間反射鏡的理想材料。此外，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。

熱壓燒結(jié)SiC陶瓷（HP-SiC）

熱壓燒結(jié)是一種材料在高溫和高壓的條件下同時(shí)進(jìn)行燒結(jié)和成型的燒結(jié)工藝。將干燥的碳化硅粉料填充到高強(qiáng)石墨模具中，升溫加熱過程中保持一定壓力，最終同時(shí)實(shí)現(xiàn)成型和燒結(jié)。

熱壓燒結(jié)由于加熱加壓同時(shí)進(jìn)行，粉料處于熱塑性狀態(tài)，有助于顆粒的接觸擴(kuò)散、流動(dòng)傳質(zhì)過程的進(jìn)行，能在較低的燒結(jié)溫度，較短的燒結(jié)時(shí)間，得到晶粒細(xì)小、相對密度高和力學(xué)性能良好的碳化硅陶瓷產(chǎn)品。此外，熱壓燒結(jié)SiC陶瓷可以達(dá)到完全致密、接近純燒結(jié)狀態(tài)。

在應(yīng)用方面，HP-SiC最初于1960年代越戰(zhàn)期間被美國直升機(jī)機(jī)組人員用作防彈衣。但隨著技術(shù)發(fā)展，超高性能裝甲陶瓷的HP-SiC精品市場已被熱壓碳化硼所取代，它成為裝甲市場上的頂級(jí)產(chǎn)品，產(chǎn)品的附加價(jià)值高。這類陶瓷材料的成分控制、純度和致密化程度的重要性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于對經(jīng)濟(jì)成本的考量。除此之外，HP-SiC還應(yīng)用于耐磨和核工業(yè)領(lǐng)域。

重結(jié)晶SiC陶瓷（R-SiC）

重結(jié)晶燒結(jié)技術(shù)因無需添加燒結(jié)助劑引起人們的廣泛關(guān)注。重結(jié)晶燒結(jié)是制備超高純度、大型SiC陶瓷器件最常用的方法。重結(jié)晶燒結(jié)SiC陶瓷（R-SiC）的制備過程如下：將粒徑不同的粗、細(xì)SiC粉體按照一定比例進(jìn)行混合，并通過注漿成型、模壓成型和擠出成型等工藝制備素坯；然后，將素坯在2200~2450 ℃高溫以及惰性氣氛保護(hù)下燒；最后，細(xì)顆粒逐漸蒸發(fā)成氣相并凝聚在粗顆粒接觸處，形成R-SiC陶瓷。

來源：沈陽星光

R-SiC在高溫下形成，硬度僅次于金剛石。它保留了SiC的諸多優(yōu)異性能，如高溫強(qiáng)度高，耐腐蝕性強(qiáng)，抗氧化性優(yōu)，抗熱震性好等特性。因此是高溫窯具、熱交換器或燃燒噴嘴的理想候選材料；在航空航空、軍事領(lǐng)域，重結(jié)晶碳化硅被用于制造航空航天器的結(jié)構(gòu)部件，如發(fā)動(dòng)機(jī)，尾翼，機(jī)身等，由于其優(yōu)越的機(jī)械性能，耐腐蝕性，抗沖擊性，能夠極大地提高航空航天器的性能和使用壽命。

滲硅SiC陶瓷（SiSiC）

相比與熱壓法、無壓法等燒結(jié)工藝，滲硅最適合工業(yè)化生產(chǎn)SiC，其優(yōu)點(diǎn)是燒結(jié)時(shí)間短，燒結(jié)溫度低，可達(dá)到全致密，燒結(jié)不變形等。SiSiC是由SiC基體和滲入的Si相組成，滲硅工藝有不同的路線，性能和應(yīng)用也大不相同。

液體滲透：碳化硅粉體和碳粉混合壓制成型，或者用多孔碳原料通過增材制造、鑄造或擠壓成型，熔融硅滲入坯體，在燒結(jié)過程中，硅與碳反應(yīng)生成更多的碳化硅，同時(shí)填充孔隙，提高材料的密度和強(qiáng)度，因此也被叫做反應(yīng)燒結(jié)碳化硅。

氣體滲透：用硅蒸汽或者含有硅源和碳源的反應(yīng)氣體滲入碳材料或碳化硅坯體，再進(jìn)行高溫反應(yīng)或沉積。這種方法成本雖高，但陶瓷密度，游離硅的均勻性等也更好。

反應(yīng)燒結(jié)碳化硅制品（來源：長光精瓷）

在應(yīng)用上，由于硅的滲透，SiSiC陶瓷的孔隙率低，氣密性得到很大保證；而硅的摻雜也增加材料中的自由載流子（電子或空穴）濃度，從而擁有比碳化硅具有更低的電阻，利于消除零件的靜電。其制備工藝和特性，有利于生產(chǎn)大型、復(fù)雜形狀的零件或中空結(jié)構(gòu)，更廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體加工設(shè)備等。其次，它還具備高彈性模量的優(yōu)點(diǎn)，這一特性使得在太空的微重力環(huán)境和機(jī)械應(yīng)力作用下，它能夠承受較重的負(fù)荷而不產(chǎn)生顯著的形狀變化，從而確保了太空設(shè)備的精準(zhǔn)度和構(gòu)造的安全性。此外，其出色的氣密性和防水性能，加上高強(qiáng)度、優(yōu)異的剛性和可靠性，以及極低的重量，共同奠定了SiSiC作為航空航天領(lǐng)域首選高性能材料的地位。

來源：

伍晶晶：SiC素坯快速成型及滲硅致密化工藝研究

李辰冉：碳化硅陶瓷材料燒結(jié)技術(shù)的研究與應(yīng)用進(jìn)展

王鳳等：碳化硅陶瓷燒結(jié)技術(shù)的研究及應(yīng)用

王琨等：無壓燒結(jié)SiC陶瓷研究進(jìn)展

董新保等：無壓燒結(jié)碳化硅防彈陶瓷材料研究進(jìn)展

京瓷官網(wǎng)

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/空青）

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