碳化硅是一種典型的共價(jià)鍵結(jié)合的穩(wěn)定化合物, 加上它的擴(kuò)散系數(shù)低, 很難用常規(guī)的燒結(jié)方法達(dá)到致密化 ,必須通過添加一些燒結(jié)助劑以降低表面能或增加表面積 ,以及采用特殊工藝處理來獲得致密的碳化硅陶瓷。
按燒結(jié)工藝來劃分 , 碳化硅陶瓷可以分為重結(jié)晶碳化硅陶瓷、反應(yīng)燒結(jié)碳化硅陶瓷、無壓燒結(jié)碳化硅陶瓷、熱壓燒結(jié)碳化硅陶瓷、高溫?zé)岬褥o壓燒結(jié)碳化硅陶瓷以及化學(xué)氣相沉積碳化硅。采用不同工藝制備的碳化硅其性能有較大的差別，即使采用同一工藝制備的碳化硅，由于各家公司采用的原料、添加劑不同，其性能相差也較大。
- 反應(yīng)燒結(jié)碳化硅陶瓷
反應(yīng)燒結(jié)碳化硅陶瓷的制備工藝較為簡單，它直接采用一定顆粒級(jí)配的碳化硅(一般為 1 ～ 10 μm)，與碳混和后成形素坯，然后在高溫下進(jìn)行滲硅，部分硅與碳反應(yīng)生成 SiC 與原來坯體中的 SiC 結(jié)合，達(dá)到燒結(jié)目的。
滲硅的方法有 2 種，一種是溫度達(dá)到硅的熔融溫度，產(chǎn)生硅的液相，通過毛細(xì)管的作用，硅直接進(jìn)入坯體與碳反應(yīng)生成碳化硅，達(dá)到燒結(jié)；另一種是溫度大于硅的熔融溫度，產(chǎn)生硅的蒸汽，通過硅蒸汽滲入坯體以達(dá)到燒結(jié)。前一種方法燒結(jié)后殘留游離硅一般較多，通常達(dá)到10 %～ 15 %，有時(shí)會(huì)達(dá)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(yù)留氣孔可以盡量少，燒結(jié)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(xiàng)性能大為提高。
圖 反應(yīng)燒結(jié)碳化硅方梁，來源：唐山冷仕
反應(yīng)燒結(jié)碳化硅的燒結(jié)溫度為 1450 ～ 1700 ℃。碳與碳化硅的骨架可以預(yù)先車削成任何形狀，且燒結(jié)時(shí)坯體的收縮僅在 3 %以內(nèi)，這有利于產(chǎn)品尺寸的控制，大大減少了成品的磨削量，采用的原料像碳化硅 、碳、結(jié)合劑等等均無需特殊處理。因此，該工藝制備的碳化硅燒結(jié)體的生產(chǎn)成本較低，與其他幾種工藝相比價(jià)格相對(duì)較低，競爭力較強(qiáng)。但該工藝決定了燒結(jié)后坯體中總殘留有游離硅，這部分硅對(duì)以后產(chǎn)品的應(yīng)用會(huì)產(chǎn)生影響，燒結(jié)體的強(qiáng)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(qiáng)酸介質(zhì)的腐蝕，因此它的使用受到限制。此外高溫強(qiáng)度也受到游離硅的影響，一般使用溫度應(yīng)限制在 1 350 ℃以下，主要應(yīng)用于陶瓷行業(yè)用高溫窯具，各種規(guī)格的輥棒、方梁、燃燒嘴罩、匣缽、冷風(fēng)管以及機(jī)械方面的耐磨件。
2、重結(jié)晶碳化硅陶瓷
利用注漿或凝膠注模等方法制成坯體密度很高的 SiC 成形件。坯體在隔絕空氣的條件下用電爐于高達(dá) 2 500 ℃?時(shí)燒成，在 2100 ℃以上溫度時(shí)產(chǎn)生蒸發(fā)和凝聚作用，形成無收縮自結(jié)合結(jié)構(gòu)。燒前和最終密度保持不變，在晶體之間形成固態(tài)碳化硅結(jié)合，這種 α-SiC 其碳化硅的含量可達(dá)到 100 %，密度可達(dá) 2 .6 g ，氣孔率約為 20 %。
圖 重結(jié)晶碳化硅無機(jī)膜，圖源：沈陽星光
重結(jié)晶碳化硅保留了SiC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，廣泛應(yīng)用于高溫窯具、柴油車尾氣凈化器等領(lǐng)域。
3、無壓燒結(jié)碳化硅陶瓷(常壓燒結(jié)碳化硅陶瓷)
碳化硅的無壓燒結(jié)可以分成固相燒結(jié)與液相燒結(jié) 2 種。
圖 ?碳化硅陶瓷零部件，圖源：AGC
固相燒結(jié)
固相燒結(jié)是美國科學(xué)家 Prochazka 于 1974 年首先發(fā)明的，他在亞微米級(jí)的β-SiC 中添加少量的硼與碳，實(shí)現(xiàn)碳化硅無壓燒結(jié)，制得接近理論密度 95 %的致密燒結(jié)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(jìn)燒結(jié)，碳的加入是與碳化硅表面的二氧化硅反應(yīng)增加表面能均對(duì)燒結(jié)有利。
固相燒結(jié)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(shí)是穿晶斷裂，強(qiáng)度與斷裂韌性一般都不高，在 300 ～ 450 MPa 與 3 .5 ～ 4 .5 MPa·m??之間 。但它晶界較為“干凈”，?高溫強(qiáng)度并不隨溫度的升高而變化，一般能用到 1600 ℃，強(qiáng)度不發(fā)生變化。在固相燒結(jié)中 SiC—AlN 系統(tǒng)很值得注意，由于它具有良好的電阻與導(dǎo)熱性，這將很有可能是一種廉價(jià)的大規(guī)模集成電路的基板材料。
液相燒結(jié)
碳化硅的液相燒結(jié)是美國科學(xué)家Muua MA 于 90 年代初發(fā)明的，它的主要燒結(jié)添加劑是 Y2O3 -Al2O3。根據(jù)其相圖可知，存在 3 個(gè)低共熔化合物：YAG(Y3A15 O15 ,熔點(diǎn)為 1760℃)、YAP(YAlO3 , 熔點(diǎn)為 1850℃); YAM(Y4Al2O9 ,熔點(diǎn)為 1940℃)。為了降低燒結(jié)溫度一般采用 YAG 為碳化硅的燒結(jié)添加劑。
資料來源：《碳化硅陶瓷的性能與應(yīng)用》，李纓等