中国粉体网讯 碳化硅陶瓷因具有低热膨胀系数、高导热系数、高硬度、良好的热稳定性和化学稳定性好等优点，在高温结构陶瓷中占有一席之地，被广泛应用于航空航天、核能、军事和半导体领域。
由于碳化硅具有极强的共价键和极低的扩散系数，碳化硅陶瓷完全致密化的难度很大，为此开发出碳化硅陶瓷的烧结技术，包括反应烧结、无压固相烧结、无压液相烧结、热压烧结和重结晶烧结。
反应烧结
反应烧结碳化硅产品：（a）换热器；（b）窑炉辊棒；（c）螺旋喷嘴
反应烧结碳化硅陶瓷的制备工艺如下：首先，在一定比例下，将SiC粉体、C粉和有机粘结剂混合均匀并成型；然后，在高温下渗Si，Si与C反应形成二次SiC，并将原有的SiC颗粒烧结到一起；最后，残余游离Si填充孔隙，实现反应烧结碳化硅陶瓷的高度致密化。
在反应烧结过程中，为了保证渗硅的完全，素坯（α-SiC+C）应当具有足够的孔隙度，否则仅会使表面区域中的C发生硅化，而在中心部位仍残留有未反应的C和少量气孔，因此必须严格控制素坯密度，通过调整最初混合料中α-SiC和C的含量、α-SiC的粒度级配、C的形状和粒度以及成型压力等手段可以获得适当的素坯密度。
反应烧结碳化硅工艺是一种近净尺寸烧结工艺，在烧结过程中几乎没有收缩及尺寸变化，具有烧结温度低、产品结构致密、生产成本低等优点，适合制备大尺寸复杂形状碳化硅陶瓷制品。近年来，随着晶片尺寸和热处理温度的提高，反应烧结碳化硅逐渐取代了石英玻璃。采用高纯的碳化硅粉和高纯硅可以制得包含部分硅相的高纯碳化硅部件，并广泛应用于电子管和半导体晶片制造设备的支撑夹具。
无压烧结
无压烧结碳化硅产品：（a）陶瓷密封件；（b）陶瓷轴承；（c）防弹板
无压烧结工艺主要分为固相烧结和液相烧结两种。
固相烧结
1974年SProchazka首次采用无压烧结工艺，通过向高纯度的β-SiC细粉中加入少量的B和C，在2020℃成功地获得了相对密度大于98%的SiC烧结体。固相烧结SiC陶瓷的温度较高，但其物化性能稳定，尤其在高温下强度不会发生改变，具有特殊的应用价值。
在固相烧结体系中，存在多种固相烧结主助剂的引入。其中，最为常见的为B-C体系，其通过引入B和C粉末或直接引入B4C粉末作为烧结助剂，该体系的烧结温度通常在1900-2100℃下能够烧结致密，所制备的SiC陶瓷具有良好性能。在固相烧结中，Al-C体系也常用于SiC陶瓷固相烧结，Al金属作为SiC烧结助剂，是继B之后最有效的添加剂；此外，AlN-C体系同样也被用于SiC陶瓷的烧结。与B相比，AlN的添加能够有效抑制SiC晶粒的生长。
SiC陶瓷的固相烧结主要依靠固相扩散机制实现致密化。通过添加固相烧结助剂，既可以促进SiC晶粒长大，又能够避免液相的形成。然而，该体系仍存在一定局限性：首先，烧结温度需要维持在1900-2100℃的高温区间，不仅能耗较高，还对设备性能提出苛刻要求；其次，高温环境易导致晶粒异常生长，进而损害材料性能；再者，完全致密往往需要延长保温时间；此外，该工艺对原料粉末的粒度大小、纯度及均匀性有较高要求。
液相烧结
液相烧结是通过向原料中添加一定数量的多元低共熔氧化物，使其在高温下形成共熔液相，使体系的传质方式由扩散传质变为粘性流动传质，降低致密化所需要的能量和烧结温度，同时晶界液相的引入使材料的强度和韧性显著提高。
在Al2O3参与的SiC液相烧结过程中，Al2O3在高温下会与SiC粉末表面的SiO2反应形成液相，形成晶界相，作为扩散路径对SiC颗粒进行润滑促进颗粒重排和致密化。SiC的液相烧结过程受溶解-再沉淀机制控制，其烧结行为显著受到原料特性影响，包括粉体起始粒度、粒度分布、杂质含量和晶相组成等因素。同时，液相烧结的温度在一定程度上受到烧结助剂含量的影响，适量的液相助剂能够明显降低烧结温度，但是在一定程度上会影响其性能。
在SiC的烧结中，最常见的液相烧结体系为Al2O3-Y2O3体系，在原有Al2O3作为添加剂的基础上再引入Y2O3，使其形成Al2O3-Y2O3体系。该体系能够将有效的减低SiC的烧结温度，同时改善材料的显微结构和性能。
热压烧结
热压烧结是将干燥的碳化硅粉料填充进高强石墨模具内，在升温的同时施加一个轴向压力，在合适的压力-温度-时间工艺条件控制下，实现碳化硅的烧结成型。热压烧结碳化硅的添加剂有Al、Fe、B、B4C、Al2O3、AlN、BeO、B+C等。各类烧结助剂在烧结致密化过程中的机理可以大致分为两类：一类是与SiC中的杂质形成液相，通过液相促进烧结；另一类是与SiC形成固溶体，降低晶界能并促进烧结。
热压烧结由于加热加压同时进行，粉料处于热塑性状态，有助于颗粒的接触扩散、流动传质过程的进行，能在较低的烧结温度，较短的烧结时间，得到晶粒细小、相对密度高和力学性能良好的碳化硅陶瓷产品。该工艺不足在于设备及工艺复杂，模具材料要求高，只能制备简单形状的零件，生产效率较低，生产成本高。但在半导体制造领域，对制造精密仪器和部件所需要的陶瓷材料的性能要求非常高，这类陶瓷材料的成分控制、纯度和致密化程度的重要性远远高于对经济成本的考量。另外，产品的附加值高，这也使热压烧结显得尤为重要。
重结晶烧结
重结晶烧结技术因无需添加烧结助剂引起人们的广泛关注。重结晶烧结是制备超高纯度、大型SiC陶瓷器件最常用的方法。重结晶烧结SiC陶瓷的制备过程如下：将粒径不同的粗、细SiC粉体按照一定比例进行混合，并通过注浆成型、模压成型和挤出成型等工艺制备素坯；然后，将素坯在2200~2450℃高温以及惰性气氛保护下烧结；最后，细颗粒逐渐蒸发成气相并凝聚在粗颗粒接触处，形成重结晶陶瓷。
采用重结晶烧结技术制备SiC陶瓷还具有以下优势：在烧结过程中，坯体几乎不存在收缩现象，导致坯体不易发生开裂或变形，从而可以制备形状复杂、精度较高的陶瓷部件；制备多孔重结晶陶瓷时，其孔隙率和孔径尺寸变化范围较小，易于控制；重结晶陶瓷具有三维互连多孔结构，并且大多为通孔，使其适合渗透第二相来制备复合材料。
参考来源：
刘家祥.超细碳化硅粉体表面改性及重结晶碳化硅陶瓷注浆成型研究
李辰冉等.碳化硅陶瓷材料烧结技术的研究与应用进展
刘泽校.碳化硅陶瓷的无压快速烧结与过程原位热管理
王琨等.无压烧结SiC陶瓷研究进展
（中国粉体网编辑整理/初末）
注：图片非商业用途，存在侵权告知删除！
