碳化硅陶瓷的液相烧结及其研究进展

碳化硅陶瓷的液相烧结及其研究进展PPT制作者:盛建飞学号:1045562119一.碳化硅陶瓷开展概况1.碳化硅陶瓷的优越性高性能结构陶瓷愈来愈受到关注,而高温结构陶瓷更是研究的热点。以碳化硅为主的非氧化物陶瓷因为耐高温、耐腐蚀、耐磨和高温强度高等优点在机械、化工、能源、军工等方面具有潜在的应用前景,成为最具前途的高温结构材料。2.碳化硅陶瓷的局限性SiC-B-C系统属于固相烧结范畴,需要较高的烧结温度(>2100℃),并且断裂韧性较低,有较强的裂纹强度敏感性;在结构上表现为晶粒粗大且均匀性差,断裂模式为典型的穿晶断裂模式。这种高脆性和高的烧结温度大大限制了SiC陶瓷的使用。从优化材料结构改善断裂行为出发,人们将思路转向复相陶瓷的设计方法。70年代末，Culter等人发现SiC和AlN在1800~2100℃能形成固溶体，此后在SiC复相陶瓷材料方面涌现出一大批复相系统，并获得较为满意的结果，相对于B,C添加烧结的碳化硅陶瓷有相当大改善，且使烧结温度降至2100℃以下。但这些烧结方法仍属于固相烧结，烧结条件严格受限且非氧化物碳化硅复相陶瓷系统抗氧化性差，使SiC基陶瓷高温应用受限。3.通过液相烧结的改善:

近来国内外SiC陶瓷的研究焦点主要集中于一种新的烧结方法----液相烧结上,即以一定的单元或多元低共熔氧化物为烧结助剂,在较低温度下实现了碳化硅的致密化。低温液相烧结同固相烧结相比在结构上得到明显改善----晶粒细小均匀且呈等轴晶状,同时由于晶界液相的引入和独特的界面结合弱化,材料的断裂也变为完全的沿晶断裂模式,材料的强度和韧性显著提高。二.液相烧结添加剂的选择:碳化硅陶瓷由于其高的共价键结合的特点,烧结时扩散速率很低且晶界能和外表能之比很高,不易获得能量形成晶界,故纯的碳化硅很难采用常压烧结途径来制取高致密化材料,必须采用一些特殊手段或依靠第二相物质帮助。以实用化为目标,无压烧结技术是关键,最近开展的烧结技术中,以能产生液相的无压烧结工艺最有前途。这就要选择适宜的氧化物添加剂,为了使碳化硅充分致密化,要求在烧结中既要产生液相又要防止氧化物添加剂与碳化硅反响或反响较弱。高温下,金属氧化物可能与碳化硅的反响是:2SiC(s)+aMxOy(s,l)y2Si(s,l)+bM(s,l)+2CO(g)2SiC(s)+cMxOy(s,l)y2Si(s,l)+dM(s,l)+2CO(g)利用该反响原理,Negita在热力学根底上计算出一组可用作候选添加剂的氧化物,各种氧化物与碳化硅作用强弱的分布〔图1〕图1氧化物与碳化硅作用的强弱分布在图中可看出他们包括Al2O3、Y2O3、Mg2O3、Be2O3以及几乎所有的稀土氧化物几年来在此根底上碳化硅烧结有了长足进步。Mlla和Kratic研究了添加Al2O3为30%的碳化硅在1900e的烧结。另外由Y2O3和Al2O3不同比例的添加剂系统被研究,分别形成YAG、Al2O3-YAG、Al2O3-Y2O3共熔点,系统同时在研究中又发现碳化硅外表的SiO2对降低烧成温度有相当的作用。为了进一步降低烧成温度已形成多元氧化物系统,又出现了La2O3-A2O3-Cr2O3系统,另外还有许多稀土氧化物也为更多的添加剂系统提供了各种可能。最近几年才出现的一种凝胶注模成形工艺,因能制备大尺寸复杂形状近净尺寸的陶瓷材料而受到关注。上述提到的液相烧结系统因为烧结过程中,普遍存在烧结收缩大(线收缩率大于15%),烧结过程中变形严重,而使其在凝胶注模成形制得的碳化硅陶瓷坯体的烧结中受到限制,因此需要寻找一种适宜的添加剂降低烧结过程中的收缩,以更好的应用该成形工艺成为必要。三.碳化硅陶瓷的液相烧结机理:α-SiC在液相烧结系统中的粗化是溶解---沉淀机制。该机理的粗化动力包括两个过程:a)界面反响,包括溶解和沉淀结晶;b)溶质在液相中的扩散。大颗粒消耗掉小颗料而长大。Sigl和Kleebd通过SEM照片看到明显的粒子的核壳结构,壳是沉淀的新物质,核是初始粒子。同时壳中有痕量O2出现,而核中没有,说明O2是在物质传输中带入的,从而验证了碳化硅粒子生长的机理是溶解---沉淀机理。四.液相烧结碳化硅增韧机理:通过参加第二相或第三相粒子(晶须)使之与基体之间在弹性模量和膨胀系数上失配,从而在两相界面产生压缩应力和切向应力,提高材料抗裂纹扩展的能力,最终使材料增强和增韧。同时为了克服SiC陶瓷自身的缺点,近十几年来,围绕SiC陶瓷的强化与增韧,开展了大量的研究工作,并取得了很大的进展,其主要内容大致分为3个方面,即第二相粒子及纤维、晶须的补强增韧,自增强增韧及外表强化与增韧等技术。4.1液相烧结增韧机理:

纯α-SiC参与的液相烧结的碳化硅陶瓷具有细等轴晶粒结构,烧结中生成的玻璃相与碳化硅晶粒的热膨胀系数和弹性模量不一致,烧结后二相之间产生相应的径向压应力和切向拉应力,在降温过程中当材料受到外界应力时裂纹行进到两界面交界处时就会发生相互作用,导致裂缝前行受阻或发生偏折、分枝和扎钉等效用,从而导致材料的强度和韧性大幅度提高。4.2原位强化机理研究为自增强增韧。β-SiC烧结过程中存在β相到α相的转变,碳化硅在液相中烧结时具有晶粒优先取向生长的特性而形成延长晶粒结构,可以获得长柱状晶粒结构的碳化硅陶瓷,到达原位增强的目的。它具有以下一些优点:(1)无晶须相关的身体伤害性及异质引入所引起的与基体的相容性和匹配性问题;(2)潜在的制备大尺寸、复杂形状部件的能力;(3)高的增强相体积容量;(4)常压烧结,易获得净尺寸产品,减少加工本钱。4.3外表强化与增韧:即液相烧结SiC陶瓷的高温等静压后处理。HIP后处理工艺是基于消除材料内部的剩余气孔及缺陷,调整相组成及显微结构,到达改善材料性能的目的。一方面高压高温下,可以进一步强化碳化硅晶粒之间以及碳化硅晶粒与第二相之间的反响与结合,另一方面如果材料本身与气体之间存在反响活性时,那么可能的化学反响就会发生。已有的研究结果说明,SiC陶瓷经过外表氮化后处理,可以明显改善材料的力学性能。五.结论:碳化硅陶瓷