中國粉體網訊  碳化硅（SiC）陶瓷因具有低熱膨脹系數、高導熱系數、高硬度、良好的熱穩定性和化學穩定性等優點，在高溫結構陶瓷中占有重要一席之地，被廣泛應用于航空航天、核能、軍事和半導體等領域。

碳化硅陶瓷產品，來源：三責新材

由于SiC具有極強的共價鍵和極低的擴散系數，SiC陶瓷完全致密化的難度很大，為此開發出多種SiC陶瓷的燒結技術，包括反應燒結、無壓固相燒結、無壓液相燒結、熱壓燒結和重結晶燒結等等。這些不同的燒結技術均有獨特的優勢，制備的SiC陶瓷在微觀結構、性能和應用領域等方面也有所不同。而這些不同類型的碳化硅陶瓷你都能分清嗎？

無壓燒結SiC陶瓷（S-SiC）

 無壓燒結被認為是SiC燒結最有前途的燒結方法，該方法可適配多種成型工藝，生產成本較低，不受形狀尺寸的限制，是最常見、最容易實現批量操作的燒結方式。

無壓燒結是對含有微量氧的β-SiC中添加硼和碳，在2000℃左右，惰性氣氛中燒結可獲得98%理論密度的碳化硅燒結體。該方法一般有兩種方法：固相燒結和液相燒結。其中無壓固相燒結碳化硅致密性強、純度高，尤其是它還具有獨特的高導熱性和優異的高溫強度等性能，易于加工成尺寸大、形狀復雜的陶瓷器件。

無壓燒結碳化硅產品：(a)陶瓷密封件；(b)陶瓷軸承；(c)防彈板

在應用方面，SiC的無壓燒結操作簡單，成本適中，適用于不同形狀的陶瓷零部件的批量化生產，廣泛應用于的耐磨損耐腐蝕的密封環、滑動軸承等。此外，無壓燒結碳化硅陶瓷因其硬度高、比重小、彈道性能好、破碎后吸收更多能量的能力和價格低廉而被廣泛應用于防彈裝甲，如車輛和船只的保護，以及民用保險箱和運鈔車的保護。作為防彈裝甲材料，它具有很好的耐多擊性，整體防護效果優于普通碳化硅陶瓷；用于圓柱形陶瓷體輕防護裝甲時，其斷裂點可達65噸以上，防護效果明顯優于使用普通碳化硅陶瓷的圓柱形陶瓷體防護裝甲。

反應燒結SiC陶瓷（RB-SiC）

反應燒結SiC是一種極具吸引力的結構陶瓷，具有高強度、耐腐蝕性、抗氧化性等優異的機械性能，此外還具有燒結溫度低、燒結成本低和近凈尺寸成型燒結的突出特點。

反應燒結工藝流程簡單，它是將碳源和SiC粉體混合制備出坯體，然后在高溫毛細管力的作用下將熔融硅滲入多孔坯體中，并與坯體內部的碳源反應生成β-SiC相，同時與原α-SiC緊密結合在一起，剩余的孔隙被液硅填充，從而實現陶瓷材料的致密化燒結。在燒結過程中尺寸縮小、近凈尺寸成型，可以按需制備形狀復雜的樣品，因此被廣泛應用于各種陶瓷制品的工業化生產。

反應燒結SiC陶瓷的應用

在應用方面，高溫窯具材料、輻射管、熱交換器、脫硫噴嘴等均是反應燒結碳化硅陶瓷的典型應用。同時，由于碳化硅具有較低的熱膨脹系數和較高的彈性模量，以及近凈尺寸成型燒結等特點，反應燒結碳化硅也成為空間反射鏡的理想材料。此外，隨著晶片尺寸和熱處理溫度的提高，反應燒結碳化硅逐漸取代了石英玻璃。采用高純的碳化硅粉和高純硅可以制得包含部分硅相的高純碳化硅部件，并廣泛應用于電子管和半導體晶片制造設備的支撐夾具。

熱壓燒結SiC陶瓷（HP-SiC）

熱壓燒結是一種材料在高溫和高壓的條件下同時進行燒結和成型的燒結工藝。將干燥的碳化硅粉料填充到高強石墨模具中，升溫加熱過程中保持一定壓力，最終同時實現成型和燒結。

熱壓燒結由于加熱加壓同時進行，粉料處于熱塑性狀態，有助于顆粒的接觸擴散、流動傳質過程的進行，能在較低的燒結溫度，較短的燒結時間，得到晶粒細小、相對密度高和力學性能良好的碳化硅陶瓷產品。此外，熱壓燒結SiC陶瓷可以達到完全致密、接近純燒結狀態。

在應用方面，HP-SiC最初于1960年代越戰期間被美國直升機機組人員用作防彈衣。但隨著技術發展，超高性能裝甲陶瓷的HP-SiC精品市場已被熱壓碳化硼所取代，它成為裝甲市場上的頂級產品，產品的附加價值高。這類陶瓷材料的成分控制、純度和致密化程度的重要性遠遠高于對經濟成本的考量。除此之外，HP-SiC還應用于耐磨和核工業領域。

重結晶SiC陶瓷（R-SiC）

重結晶燒結技術因無需添加燒結助劑引起人們的廣泛關注。重結晶燒結是制備超高純度、大型SiC陶瓷器件最常用的方法。重結晶燒結SiC陶瓷（R-SiC）的制備過程如下：將粒徑不同的粗、細SiC粉體按照一定比例進行混合，并通過注漿成型、模壓成型和擠出成型等工藝制備素坯；然后，將素坯在2200~2450 ℃高溫以及惰性氣氛保護下燒；最后，細顆粒逐漸蒸發成氣相并凝聚在粗顆粒接觸處，形成R-SiC陶瓷。

來源：沈陽星光

R-SiC在高溫下形成，硬度僅次于金剛石。它保留了SiC的諸多優異性能，如高溫強度高，耐腐蝕性強，抗氧化性優，抗熱震性好等特性。因此是高溫窯具、熱交換器或燃燒噴嘴的理想候選材料；在航空航空、軍事領域，重結晶碳化硅被用于制造航空航天器的結構部件，如發動機，尾翼，機身等，由于其優越的機械性能，耐腐蝕性，抗沖擊性，能夠極大地提高航空航天器的性能和使用壽命。

滲硅SiC陶瓷（SiSiC）

相比與熱壓法、無壓法等燒結工藝，滲硅最適合工業化生產SiC，其優點是燒結時間短，燒結溫度低，可達到全致密，燒結不變形等。SiSiC是由SiC基體和滲入的Si相組成，滲硅工藝有不同的路線，性能和應用也大不相同。

液體滲透：碳化硅粉體和碳粉混合壓制成型，或者用多孔碳原料通過增材制造、鑄造或擠壓成型，熔融硅滲入坯體，在燒結過程中，硅與碳反應生成更多的碳化硅，同時填充孔隙，提高材料的密度和強度，因此也被叫做反應燒結碳化硅。

氣體滲透：用硅蒸汽或者含有硅源和碳源的反應氣體滲入碳材料或碳化硅坯體，再進行高溫反應或沉積。這種方法成本雖高，但陶瓷密度，游離硅的均勻性等也更好。

反應燒結碳化硅制品（來源：長光精瓷）

在應用上，由于硅的滲透，SiSiC陶瓷的孔隙率低，氣密性得到很大保證；而硅的摻雜也增加材料中的自由載流子（電子或空穴）濃度，從而擁有比碳化硅具有更低的電阻，利于消除零件的靜電。其制備工藝和特性，有利于生產大型、復雜形狀的零件或中空結構，更廣泛應用于半導體加工設備等。其次，它還具備高彈性模量的優點，這一特性使得在太空的微重力環境和機械應力作用下，它能夠承受較重的負荷而不產生顯著的形狀變化，從而確保了太空設備的精準度和構造的安全性。此外，其出色的氣密性和防水性能，加上高強度、優異的剛性和可靠性，以及極低的重量，共同奠定了SiSiC作為航空航天領域首選高性能材料的地位。

來源：

伍晶晶：SiC素坯快速成型及滲硅致密化工藝研究

李辰冉：碳化硅陶瓷材料燒結技術的研究與應用進展

王鳳等：碳化硅陶瓷燒結技術的研究及應用

王琨等：無壓燒結SiC陶瓷研究進展

董新保等：無壓燒結碳化硅防彈陶瓷材料研究進展

京瓷官網

（中國粉體網編輯整理/空青）

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