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鄒小姐：13326633089 -
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碳化硅陶瓷材料因具有良好的耐磨性、導熱性、抗氧化性及優異的高溫力學性能，被廣泛應用于精密軸承、密封件、氣輪機轉子、光學元件、高溫噴嘴、熱交換器部件及原子熱反應堆材料。然而，由于碳化硅為強共價鍵化合物，且具有低的擴散系數，導致其在制備過程中的主要問題之一是燒結致密化困難，因此燒結工藝成了獲得高性能碳化硅陶瓷的重要環節。
目前用于制備碳化硅致密陶瓷的方法主要有反應燒結（常見）、無壓/常壓燒結（常見）、重結晶燒結、熱壓燒結、熱等靜壓燒結等，碳化硅陶瓷的性能隨制備工藝的不同會發生一定的變化，而題目所說的SSiC\SiSiC\RBSiC...代表什么呢？下文一起來看看~
反應燒結法-RBSiC
Reaction bongded siliconcarbide
輥道窯上的反應燒結碳化硅陶瓷輥
工藝簡介：
采用一定顆粒級配的碳化硅（一般為1~10μm）與碳混和后成形素坯，然后在高溫下進行滲硅反應，部分硅與碳反應生成SiC與原來坯體中的SiC結合，達到燒結目的。滲硅的方法有2種，一種是溫度達到硅的熔融溫度（1450-1470℃），產生硅的液相，通過毛細管的作用，硅直接進入坯體與碳反應生成碳化硅，達到燒結；另一種是溫度大于硅的熔融溫度，產生硅的蒸汽，通過硅蒸汽滲入坯體以達到燒結。
SiC粉+C粉+粘接劑混合→成形→烘干→氣氛保護排膠→高溫滲Si→后續加工
值得注意的是反應燒結碳化硅的使用溫度范圍受到材料中游離Si含量限制，通常在1400℃以內，若在1400℃以上，該材料的強度會隨著游離Si的熔融而迅速下降。前一種方法燒結后殘留游離硅一般較多，通常達到10%～15%，有時會達到15%以上，這將給制品性能帶來不利。用氣相法滲硅，由于坯體的預留氣孔可以盡量少，燒結后的游離硅含量可降到10%以下，有些工藝控制的好可以降到8%以下，制品的各項性能大為提高。
前面工藝也說明了一個道理，用這個工藝制備出來的碳化硅陶瓷，多多少少會有Si的殘留（多達15%以上，少嘛也有大約8%），所以，這個工藝做出來的陶瓷其實不是單相的碳化硅陶瓷，嚴格來說它算是“硅+碳化硅”復合材料：所以這個RBSiC也有SiSiC（硅碳化硅復合材料）之稱。
工藝特點及應用：
反應燒結碳化硅的優勢是燒結溫度低、生產成本低、材料致密化程度較高，碳與碳化硅的骨架可以預先車削成任何形狀，且燒結時坯體的收縮僅在3%以內，這有利于產品尺寸的控制，大大減少了成品的磨削量特別適合大尺寸復雜形狀結構件的制備。
因此在工業生產中產量較大，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和較高的彈性模量，因此反應燒結碳化硅也成為空間反射鏡的理想材料。國際上最著名的反應燒結碳化硅生產公司是英國的Refel公司,用它制成高溫交換器已廣泛應用。日本的旭硝子公司引進該項技術，制成0.5~1m長的熱交換管以及其他制品。
碳化硅熱交換板及碳化硅熱交換塊孔
隨著晶片尺寸和熱處理溫度的提高，對工藝過程中的零部件提出了更高的要求，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，逐漸取代了石英玻璃部件在電子管和半導體晶片制造設備的支撐夾具的應用。
不足之處：正如前面所說，該工藝決定了燒結后坯體中總殘留有游離硅，這部分硅對以后產品的應用會產生影響，燒結體的強度不如其他工藝制品，耐磨性下降，最主要的是游離硅不能耐堿性及氫氟酸等強酸介質的腐蝕，因此它的使用受到限制。此外高溫強度也受到游離硅的影響，一般使用溫度限制在1350-1400℃以下。
反應燒結碳化硅經典應用：螺旋噴嘴
（螺旋噴嘴的一般應用：廢氣洗滌；氣體冷卻；洗滌與漂淋過程；防火滅火）
無壓燒結/常壓燒結碳化硅-PSSiC
Pressureless sintering silicon carbide
常壓燒結碳化硅在不施加外部壓力和惰性氣氛條件下，通過添加合適的燒結助劑，在2 000 ～ 2150 ℃間，可對不同形狀和尺寸的樣品進行致密化燒結。SiC的常壓燒結技術已趨于成熟，其優勢在于生產成本較低，對產品的形狀尺寸沒有限制，特別是固相燒結SiC陶瓷的致密度高，顯微結構均勻，材料綜合性能優異。廣泛應用于的耐磨損耐腐蝕的密封環、滑動軸承等。
碳化硅之無壓燒結工藝可分為固相燒結碳化娃(SSiC)、液相燒結碳化娃(LSiC)。
固相燒結是美國科學家Prochazka于1974年首先發明的, 他在亞微米級的β —SiC 中添加少量的硼與碳,實現碳化硅無壓燒結, 制得接近理論密度95%的致密燒結體。隨后W Btcker 和 H Hansner 采用 α-SiC為原料,添加硼 、碳同樣可以使碳化硅致密化 。以后的許多研究表明硼與硼的化合物和Al與Al的化合物均可以與碳化硅形成固溶體而促進燒結, 碳的加入是與碳化硅表面的二氧化硅反應增加表面能均對燒結有利。固相燒結的碳化硅, 晶界較為“干凈” ,基本無液相存在, 晶粒在高溫下很易長大。因此斷裂時是穿晶斷裂,強度與斷裂韌性一般都不高, 但它晶界較為“干凈” , 高溫強度并不隨溫度的升高而變化, 一般能用到1600 ℃ 強度不發生變化。
碳化硅的液相燒結是美國科學家Muua M A于 90年代初發明的, 它的主要燒結添加劑是 Y2O3 -Al2O3。液相燒結具有比固態燒結溫度低的優點，且晶粒尺寸小。
固相燒結的主要缺點是需較高的燒結溫度(>2000℃)，對原材料的純度要求高，燒結體斷裂韌性較低，有較強的裂紋強度敏感性，在結構上表現為晶粒粗大且均勻性差，斷裂模式為典型的穿晶斷裂。近年來，國內外對碳化硅陶瓷材料的研究聚焦于液相燒結上。液相燒結的實現是以一定數量的多元低共熔氧化物為燒結助劑，如Y2O3的二元、三元助劑能使SiC及其復合材料呈現液相燒結，在較低溫度下材料達到理想的致密化，同時由于晶界液相的引入和獨特的界面結合強度的弱化，陶瓷材料的斷裂方式轉變為沿晶斷裂模式，陶瓷材料的斷裂韌性得到明顯提高和改善。
重結晶燒結碳化硅-RSiC
Recrystallized silicon carbide
重結晶碳化硅的斷口SEM 照片
工藝簡介：
再結晶碳化硅（RSiC）是以粗、細2種粒徑的高純度碳化硅（SiC）粉末為原料，不添加燒結助劑，在高溫下（2200~2450℃）通過蒸發-凝聚機制燒結而成的一種高純SiC材料。
備注：在不加燒結助劑的情況下，一般通過表面擴散或者蒸發-凝聚傳質，完成燒結頸的長大。由經典燒結理論可知，這兩種傳質方式完成的燒結不會使接觸顆粒的質心距離減小，從而宏觀尺度上不產生任何收縮，即為非致密化過程。人們為了解決這一問題，得到高致密度碳化硅陶瓷，采取了很多措施，或采用熱，或者加入燒結助劑，或者熱壓加燒結助劑共同作用。
特點及應用
于RSiC中的SiC含量在99%以上，基本不含晶界雜質相，保留了SiC的諸多優異性能，如高溫強度、耐腐蝕性、抗熱震性等，因而廣泛應用于高溫窯具、燃燒噴嘴、太陽能熱轉換器、柴油車尾氣凈化裝置及金屬冶煉等對性能要求極為苛刻的環境。
1）由于燒結機理為蒸發-凝聚過程燒成過程不收縮，不會產生殘余應力導致制品變形或開裂。
2）RSiC可通過注漿、凝膠注模、擠制及壓制等多種方式成型，因燒成過程無收縮，因此，只要控制好坯體的尺寸，就易于獲得形狀尺寸較為精確的制品。
3）燒成后的重結晶SiC制品大約含有10%～20%的殘余氣孔。材料的孔隙率更多取決于坯體本身的孔隙率，隨燒結溫度變化不明顯，為孔隙率調控提供基礎。
4）這種燒成機制下材料內部連通孔較多，在多孔領域有廣泛應用，如在尾氣過濾、化石燃料空氣過濾等領域可以替代傳統多孔制品。
5)RSiC具有非常清晰潔凈的晶界，不含玻璃相和雜質，因為任何氧化物或金屬雜質在2150～2300℃的高溫下已經揮發掉。蒸發-凝聚的燒結機理還可以起到提純 SiC的作用（RSiC中的SiC含量在99%以上）。保留了SiC的諸多優異性能，可適用于高溫強度、耐腐蝕性、抗熱震性等工況下的應用要求，例如高溫窯具、燃燒噴嘴、太陽能熱轉換器、金屬冶煉等對性能要求極為苛刻的環境。
熱壓燒結碳化硅- HPSiC
Hot-pressed silicon carbide
工藝簡介：
熱壓燒結是將干燥的碳化硅粉料填充進高強石墨模具內，在升溫的同時施加一個軸向壓力，在合適的壓力-溫度-時間工藝條件控制下，實現碳化硅的燒結成型。
熱壓燒結由于加熱加壓同時進行，粉料處于 熱塑性狀態，有助于顆粒的接觸擴散、流動傳質 過程的進行，能在較低的燒結溫度，較短的燒結 時間，得到晶粒細小、相對密度高和力學性能良 好的碳化硅陶瓷產品。該工藝不足在于設備及工 藝復雜，模具材料要求高，只能制備簡單形狀的零件，生產效率較低，生產成本高。
拓展閱讀：
熱等靜壓燒結-HIPSiC
Hot isostatic pressing sintering silicon carbide
熱等靜壓燒結(HIP)是使材料（粉末、素坯或燒結體）在加熱過程中經受各項均衡壓力，以惰性氣體氬氣或氮氣作為傳壓介質，借助于高溫高壓的共同作用促進致密化的工藝。HIP的工藝可分為兩類：1）陶瓷粉料包封后直接HIP燒結，即包套HIP工藝；2）由原料經成型（各種陶瓷成型工藝均可），預燒結后達到一定的密度，材料無開口氣孔狀態，再經HIP高溫高壓后處理。
HIP 燒結爐內典型結構
熱等靜壓燒結技術可在較低的燒結溫度下、較短的時間內制備出各項完全同性、微觀結構 均勻、晶粒較細且完全致密的材料；可制備出形但 HIP 燒結的突出缺點是封裝技術難以掌握，需要積累大量的經驗，此外，設備的一次性投資和運轉費用都較高，這些都妨礙著該工藝的廣泛采用。
熱壓燒結法和熱等靜壓燒結法通常用于制備燒結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雜的部件。但在半導體制造領域，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濟成本的考量。另外，產品的附加值高，這也使熱壓燒結和熱等靜壓燒結顯得尤為重要。
放電等離子燒結-SPSSiC
Spark plasma sintering silicon carbide
采用放電等離子燒結(SPS)可以實現材料的低溫快速高效燒結。首先將原料放置于石墨模具中（雖然放電等離子燒結類似于熱壓，但它不是采用發熱體的間接加熱，而是電流對模具和粉體進行加熱），然后快速升溫并對坯體施壓和直流脈沖電流，在短時間內就可以完成燒結（當電流很大時，在樣品中產生焦耳熱及等離子體，在 10 min 內就會達到快速致密化燒結，相對密度可達98~99.5%）。放電等離子燒結相較于常規燒結技術制備高致密度碳化硅陶瓷，加熱速率更快，所需的燒結溫度更低，燒結時間更短。同時由于放電等離子燒結的時間非常短，使陶瓷材料的晶粒生長受到限制，從而可以保持細小均勻的晶粒。與熱壓和熱等靜壓類似，它能做的尺寸不大大。
放電等離子燒結碳化硅陶瓷
拓展閱讀：
編輯：粉體圈Alpha
