碳化硅陶瓷的液相燒結(jié)及其研究進展

碳化硅陶瓷的液相燒結(jié)及其研究進展PPT制作者:盛建飛學(xué)號:1045562119一.碳化硅陶瓷開展概況1.碳化硅陶瓷的優(yōu)越性高性能結(jié)構(gòu)陶瓷愈來愈受到關(guān)注,而高溫結(jié)構(gòu)陶瓷更是研究的熱點。以碳化硅為主的非氧化物陶瓷因為耐高溫、耐腐蝕、耐磨和高溫強度高等優(yōu)點在機械、化工、能源、軍工等方面具有潛在的應(yīng)用前景,成為最具前途的高溫結(jié)構(gòu)材料。2.碳化硅陶瓷的局限性SiC-B-C系統(tǒng)屬于固相燒結(jié)范疇,需要較高的燒結(jié)溫度(>2100℃),并且斷裂韌性較低,有較強的裂紋強度敏感性;在結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)為晶粒粗大且均勻性差,斷裂模式為典型的穿晶斷裂模式。這種高脆性和高的燒結(jié)溫度大大限制了SiC陶瓷的使用。從優(yōu)化材料結(jié)構(gòu)改善斷裂行為出發(fā),人們將思路轉(zhuǎn)向復(fù)相陶瓷的設(shè)計方法。70年代末，Culter等人發(fā)現(xiàn)SiC和AlN在1800~2100℃能形成固溶體，此后在SiC復(fù)相陶瓷材料方面涌現(xiàn)出一大批復(fù)相系統(tǒng)，并獲得較為滿意的結(jié)果，相對于B,C添加燒結(jié)的碳化硅陶瓷有相當大改善，且使燒結(jié)溫度降至2100℃以下。但這些燒結(jié)方法仍屬于固相燒結(jié)，燒結(jié)條件嚴格受限且非氧化物碳化硅復(fù)相陶瓷系統(tǒng)抗氧化性差，使SiC基陶瓷高溫應(yīng)用受限。3.通過液相燒結(jié)的改善:

近來國內(nèi)外SiC陶瓷的研究焦點主要集中于一種新的燒結(jié)方法----液相燒結(jié)上,即以一定的單元或多元低共熔氧化物為燒結(jié)助劑,在較低溫度下實現(xiàn)了碳化硅的致密化。低溫液相燒結(jié)同固相燒結(jié)相比在結(jié)構(gòu)上得到明顯改善----晶粒細小均勻且呈等軸晶狀,同時由于晶界液相的引入和獨特的界面結(jié)合弱化,材料的斷裂也變?yōu)橥耆难鼐嗔涯Ｊ?材料的強度和韌性顯著提高。二.液相燒結(jié)添加劑的選擇:碳化硅陶瓷由于其高的共價鍵結(jié)合的特點,燒結(jié)時擴散速率很低且晶界能和外表能之比很高,不易獲得能量形成晶界,故純的碳化硅很難采用常壓燒結(jié)途徑來制取高致密化材料,必須采用一些特殊手段或依靠第二相物質(zhì)幫助。以實用化為目標,無壓燒結(jié)技術(shù)是關(guān)鍵,最近開展的燒結(jié)技術(shù)中,以能產(chǎn)生液相的無壓燒結(jié)工藝最有前途。這就要選擇適宜的氧化物添加劑,為了使碳化硅充分致密化,要求在燒結(jié)中既要產(chǎn)生液相又要防止氧化物添加劑與碳化硅反響或反響較弱。高溫下,金屬氧化物可能與碳化硅的反響是: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)利用該反響原理,Negita在熱力學(xué)根底上計算出一組可用作候選添加劑的氧化物,各種氧化物與碳化硅作用強弱的分布〔圖1〕圖1氧化物與碳化硅作用的強弱分布在圖中可看出他們包括Al2O3、Y2O3、Mg2O3、Be2O3以及幾乎所有的稀土氧化物幾年來在此根底上碳化硅燒結(jié)有了長足進步。Mlla和Kratic研究了添加Al2O3為30%的碳化硅在1900e的燒結(jié)。另外由Y2O3和Al2O3不同比例的添加劑系統(tǒng)被研究,分別形成YAG、Al2O3-YAG、Al2O3-Y2O3共熔點,系統(tǒng)同時在研究中又發(fā)現(xiàn)碳化硅外表的SiO2對降低燒成溫度有相當?shù)淖饔?。為了進一步降低燒成溫度已形成多元氧化物系統(tǒng),又出現(xiàn)了La2O3-A2O3-Cr2O3系統(tǒng),另外還有許多稀土氧化物也為更多的添加劑系統(tǒng)提供了各種可能。最近幾年才出現(xiàn)的一種凝膠注模成形工藝,因能制備大尺寸復(fù)雜形狀近凈尺寸的陶瓷材料而受到關(guān)注。上述提到的液相燒結(jié)系統(tǒng)因為燒結(jié)過程中,普遍存在燒結(jié)收縮大(線收縮率大于15%),燒結(jié)過程中變形嚴重,而使其在凝膠注模成形制得的碳化硅陶瓷坯體的燒結(jié)中受到限制,因此需要尋找一種適宜的添加劑降低燒結(jié)過程中的收縮,以更好的應(yīng)用該成形工藝成為必要。三.碳化硅陶瓷的液相燒結(jié)機理:α-SiC在液相燒結(jié)系統(tǒng)中的粗化是溶解---沉淀機制。該機理的粗化動力包括兩個過程:a)界面反響,包括溶解和沉淀結(jié)晶;b)溶質(zhì)在液相中的擴散。大顆粒消耗掉小顆料而長大。Sigl和Kleebd通過SEM照片看到明顯的粒子的核殼結(jié)構(gòu),殼是沉淀的新物質(zhì),核是初始粒子。同時殼中有痕量O2出現(xiàn),而核中沒有,說明O2是在物質(zhì)傳輸中帶入的,從而驗證了碳化硅粒子生長的機理是溶解---沉淀機理。四.液相燒結(jié)碳化硅增韌機理:通過參加第二相或第三相粒子(晶須)使之與基體之間在彈性模量和膨脹系數(shù)上失配,從而在兩相界面產(chǎn)生壓縮應(yīng)力和切向應(yīng)力,提高材料抗裂紋擴展的能力,最終使材料增強和增韌。同時為了克服SiC陶瓷自身的缺點,近十幾年來,圍繞SiC陶瓷的強化與增韌,開展了大量的研究工作,并取得了很大的進展,其主要內(nèi)容大致分為3個方面,即第二相粒子及纖維、晶須的補強增韌,自增強增韌及外表強化與增韌等技術(shù)。4.1液相燒結(jié)增韌機理:

純α-SiC參與的液相燒結(jié)的碳化硅陶瓷具有細等軸晶粒結(jié)構(gòu),燒結(jié)中生成的玻璃相與碳化硅晶粒的熱膨脹系數(shù)和彈性模量不一致,燒結(jié)后二相之間產(chǎn)生相應(yīng)的徑向壓應(yīng)力和切向拉應(yīng)力,在降溫過程中當材料受到外界應(yīng)力時裂紋行進到兩界面交界處時就會發(fā)生相互作用,導(dǎo)致裂縫前行受阻或發(fā)生偏折、分枝和扎釘?shù)刃в?從而導(dǎo)致材料的強度和韌性大幅度提高。4.2原位強化機理研究為自增強增韌。β-SiC燒結(jié)過程中存在β相到α相的轉(zhuǎn)變,碳化硅在液相中燒結(jié)時具有晶粒優(yōu)先取向生長的特性而形成延長晶粒結(jié)構(gòu),可以獲得長柱狀晶粒結(jié)構(gòu)的碳化硅陶瓷,到達原位增強的目的。它具有以下一些優(yōu)點:(1)無晶須相關(guān)的身體傷害性及異質(zhì)引入所引起的與基體的相容性和匹配性問題;(2)潛在的制備大尺寸、復(fù)雜形狀部件的能力;(3)高的增強相體積容量;(4)常壓燒結(jié),易獲得凈尺寸產(chǎn)品,減少加工本錢。4.3外表強化與增韌:即液相燒結(jié)SiC陶瓷的高溫等靜壓后處理。HIP后處理工藝是基于消除材料內(nèi)部的剩余氣孔及缺陷,調(diào)整相組成及顯微結(jié)構(gòu),到達改善材料性能的目的。一方面高壓高溫下,可以進一步強化碳化硅晶粒之間以及碳化硅晶粒與第二相之間的反響與結(jié)合,另一方面如果材料本身與氣體之間存在反響活性時,那么可能的化學(xué)反響就會發(fā)生。已有的研究結(jié)果說明,SiC陶瓷經(jīng)過外表氮化后處理,可以明顯改善材料的力學(xué)性能。五.結(jié)論:碳化硅陶瓷