碳化硅共價鍵極強，在高溫下仍具有高強度的鍵合，碳化硅陶瓷密度相對較低，硬度較高，耐磨損、耐腐蝕，具有高熱導率、良好的抗熱震性，屬于性價比較高的結構陶瓷。
碳化硅陶瓷制品??圖源：株式會社NTK CERATEC官網
碳化硅陶瓷對比氧化鋁和碳化硼陶瓷在低成本、高性能以及密度方面均介于兩者之間，在防彈方面等應用有望取代前者。本文將介紹碳化硅陶瓷的幾種制備工藝。
碳化硅陶瓷的常規制備工藝有：熱壓燒結、無壓燒結、反應燒結、再結晶燒結、微波燒結、放電等離子燒結工藝等。具體方法以及優缺點如下表：
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工藝 |
方法 |
優點 |
缺點 |
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熱壓燒結 |
將碳化硅粉末置于模具內，在加熱的同時施加20～50MPa的軸向壓力。 |
工藝簡單，產品密度高，溫度較低，燒結晶粒細小而牢固 |
設備復雜，模具材料要求高，生產工藝嚴格，能耗大，效率低，成本高，只適合制備形狀簡單的零件 |
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無壓燒結 |
固相燒結 |
晶界潔凈，高溫性能良好，在1600℃性能基本不變 |
燒結溫度高（>2000℃），原料純度高，燒結體斷裂韌性低，裂紋強度敏感性強 |
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液相燒結（基于一定數量的多元共晶氧化物燒結添加劑，使SiC及其復合材料呈現液相燒結，在較低溫度下實現致密化。） |
界面結合強度減弱，斷裂韌性顯著提高 |
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反應燒結 |
碳化硅粉末中預混適量的含碳材料，利用碳化硅粉末殘余硅與碳的高溫反應合成新的碳化硅，從而形成結構致密的碳化硅陶瓷。 |
燒結溫度低、燒結時間短、近凈尺寸成形 |
燒結制品密度不均、易開裂、硅滲透不足，原料要求高，能耗高，生產成本高 |
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再結晶燒結 |
將不同粒徑的碳化硅顆粒在一個柱狀分級后制成的坯料，然后在2100℃以上的高溫和一定的氣流保護下流動，蒸發冷凝后逐漸接觸點沉淀，直至細顆粒完全消失。 |
不需要燒結助劑，優異的抗氧化性能，可生產尺寸精度高、無變形的大型產品 |
陶瓷材料不會收縮，密度無變化，強度相對較低 |
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微波燒結 |
利用材料在微波電磁場中的介電損耗，將整個材料加熱到燒結溫度，實現燒結和致密化。 |
燒結溫度低、加熱速度快、材料密度好，加速材料的傳質過程 |
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放電等離子燒結 |
利用高能電火花在較低的溫度和較短的時間內完成樣品的燒結過程。制備塊狀材料的粉末冶金新技術 |
去除粉末顆粒表面雜質、吸附氣體，提高燒結質量和效率 |
反應燒結碳化硅陶瓷生產工藝流程包括陶瓷壓坯制、燒結熔滲劑壓坯制備、反應燒結陶瓷產品制備、碳化硅木質陶瓷的制備等步驟。
反應燒結碳化硅噴嘴??圖源：山東華磁
首先將陶瓷粉體80-90%（由碳化硅粉末和碳化硼粉末的一種或兩種粉末組成）、碳源粉末3-15%（由炭黑、酚醛樹脂的一種或兩種組成）和成型劑5-15%（為酚醛樹脂、聚乙二醇、羥甲基纖維素或石蠟）使用球磨機混合均勻，獲得混合粉末，經噴霧干燥制粒后，在模具中壓制成形，得到具有各種特定形狀的陶瓷壓坯。
其次將硅粉60-80%、碳化硅粉3-10%和氮化硼粉37-10%混合均勻，在模具中壓制成形得到燒結熔滲劑的壓坯。
再將陶瓷壓坯和燒結熔滲劑壓坯疊放在一起，在真空度不低于 5×10-1 Pa 的真空爐中，升溫到 1450-1750℃進行燒結保溫 1-3 h，得到反應燒結陶瓷產品。將燒結陶瓷表面的熔滲劑殘留物輕敲后去除，得到致密的陶瓷片，并保持了壓坯原有的形狀。
最后采用反應燒結的工藝, 即:?高溫下具有反應活性的液相硅或硅合金, 在毛細管力的作用下滲入含有碳多孔陶瓷素坯中, 并與其中的碳反應生成碳化硅, 生成碳化硅會發生體積膨脹, 剩余的孔隙被單質硅填充。多孔陶瓷素坯可以是純碳或碳化硅?/碳基復合材料, 前者是將有機樹脂、孔形成劑及溶劑混合后催化固化并將其熱解得到多孔碳, 后者是將碳化硅顆粒?/?樹脂基復合材料熱解得到碳化硅?/?碳基復合材料, 或者以?α- SiC 、碳粉為起始原料, 采用壓制或注漿成型的工藝得到該復合材料。
碳化硅的無壓燒結過程可分為固相燒結和液相燒結，近年來，國內外對碳化硅陶瓷的研究主要集中在液相燒結。陶瓷制備流程為：混料球磨-->噴霧造粒-->干壓成型-->生坯固化-->真空燒結。
無壓燒結碳化硅產品??圖源：深圳億偉世科技官網
將碳化硅超細粉（50-500nm） 96-99 份，碳化硼超細粉（50-500nm） 1-2 份，納米級硼化鈦(30-80nm)?0.2-1份，水溶性酚醛樹脂 10-20?份，高效分散劑?0.1-0.5 份加入到球磨機中進行球磨混料 24 小時，將混合好的漿料放入攪拌桶中進行攪拌 2 小時以排除漿料中的氣泡。
將上述混合料噴入造粒塔內，通過控制噴霧壓力、進風溫度、出風溫度、噴片粒徑獲得顆粒形態好、流動性好、顆粒分布范圍窄、水分適中的造粒粉，離心變頻26-32，進風溫度 250-280℃，出風溫度 100-120℃，進漿壓力 40-60。
將上述造粒粉置于硬質合金模具內進行壓制得到生坯，壓制方式為雙向加壓，機床壓力噸位為 150-200?噸。
將壓制好的生坯放入干燥箱中進行干燥固化，得到生坯強度較好的生坯。
將上述固化好的生坯置于石墨坩堝中緊密排列整齊，然后將裝好生坯的石墨坩堝放入高溫真空燒結爐中進行燒制，燒成溫度為 2200-2250℃，保溫時間為 1-2 小時，最終制得高性能無壓燒結碳化硅陶瓷。
碳化硅的無壓燒結過程可分為固相燒結和液相燒結。其中液相燒結是需要添加燒結添加劑，如Y2O3二元、三元添加劑使SiC及其復合材料呈現液相燒結，在較低溫度下實現致密化。固相燒結碳化硅陶瓷制備方法包括原料的混合、噴霧造粒、成型、真空燒結，具體生產過程如下：
按重量百分比將亞微米級α碳化硅（200-500nm）70-90%、碳化硼0.1-5%、樹脂4-20%、有機物粘結劑5-20%，放入混料機中加入純水進行濕法混合，6-48小時后將混合好的料漿過60-120目篩；
將過篩后的料漿通過噴霧造粒塔進行噴霧造粒，噴霧造粒塔的進口溫度180-260℃，出口溫度60-120℃；造粒后的物料松裝密度為0.85-0.92g/cm3 ，流動性為8-11s/30g；將造粒后的物料過60-120目篩后備用；
根據所需制品形狀選取模具，將上述造粒后的物料裝入模具型腔內，在50-200MPa壓力進行常溫模壓成型，得生坯；或將模壓成型后的生坯再放入等靜壓設備中，以200-300MPa壓力進行等靜壓，得二次壓制后的生坯；
將上述步驟制備出的生坯，放入真空燒結爐中進行燒結后，檢驗合格的即為碳化硅防彈陶瓷成品；上述燒結過程中，首先對燒結爐進行抽真空，當真空度達到3-5×10-2 Pa后，向燒結爐內通惰性氣體至常壓后進行加熱，加熱溫度與時間的關系為：室溫至800℃、5-8小時，保溫0.5-1小時，從800℃至2000-2300℃、6-9小時，保溫1到2小時，之后隨爐冷卻，降至室溫出爐。
圖 常壓固相燒結碳化硅顯微結構和晶界?
總之，采用熱壓燒結工藝制造的陶瓷性能較好，但隨之生產成本也大幅提高；采用無壓燒結制備的陶瓷，其原料要求較高，燒結溫度高，制品尺寸變化較大，工藝復雜且性能不高?；采用反應燒結工藝所生產的陶瓷產品致密度高，防彈性能較好，且制備成本相對較低。各種碳化硅陶瓷燒結制備工藝各有優缺點，應用場景也會有所不同。根據產品來選擇恰到好處的制備方法，找到低成本和高性能化的平衡，才是上策。
http://www.hzyuanqin.com/h-nd-243.html
原文始發于微信公眾號（艾邦陶瓷展）：碳化硅陶瓷制備工藝