不同保温时间对SiC复合陶瓷结构与形貌的影响

鹿桂花 周恒为 李志鹏 朱强

摘 要：本文采用无压液相烧结工艺，以Al2O3-MgO-Y2O3体系为烧结助剂，烧结温度为1900℃，保温时间分别为1h，1.5 h和2h，制备SiC复合陶瓷，利用XRD和SEM方法研究了SiC陶瓷的物相组成和显微组织形貌。结果表明：保温2h时，SiC陶瓷主晶相为6H-SiC，且是单相SiC；陶瓷体表面光滑，致密性良好，密度为2.959 g/cm3，所以2h为最佳保温时间。

关键词：碳化硅陶瓷；保温时间；无压液相烧结；物相组成；显微组织形貌

碳化硅因具有高硬度、耐磨损、高强度等力学性质、耐高温、低热膨胀系数、高热导率及抗热震性等热学性质以及化学性质稳定等优良性质[1-2]，在国防、机械、化工、电子、冶金等方面有着非常广泛的应用。但是，由于SiC是强共价键化合物，其共价键成分高达88%，自扩散系数非常小，即使采用很高温度和较高压力都不能使其致密化[3-4]。

早期的添加少量硼和碳烧结助剂属于固相烧结的范畴，烧结温度高，基本在2000℃以上，引入氧化物等烧结助剂后，在陶瓷材料的烧结过程中产生多元低共熔物，从而可以在较低的温度下采用无压烧结方式实现液相烧结，完成陶瓷的致密化，还可以使陶瓷材料的抗弯强度、断裂韧性等力学性能明显提高，同时降低了制备成本。近年来，国内外研究者在碳化硅陶瓷的液相烧结工艺上取得较大进展[4-15]。

赵珍[16]在制备碳化硅陶瓷的研究中提出在温度和压力一定的条件下，随着保温时间的延长，碳化硅的密度、硬度、断裂韧度和弯曲强度逐渐提高.刘银波[17]在碳化硅陶瓷的固相烧结与研磨介质球的制备中提出，适当延长保温时间能确保颗粒间的扩散传质顺利完成，因而能有效地提高陶瓷材料的致密度。本实验研究不同保温时间对SiC复合陶瓷材料结构与形貌的影响，以期为碳化硅陶瓷烧结工艺的进一步优化提供有益参考。

1 实验部分

1.1样品制备[18]

将经过热处理后的碳化硅粉体（质量分数≥99.9%）与烧结助剂按质量比9：l配置；烧结助剂A12O3（质量分数≥99.9%），Mg0（质量分数≥99.9%）和Y2O3（质量分数≥99.9%）按质量比2：4：4称料，以无水乙醇作为研磨介质，球料质量比为1：l，在南京大学仪器厂生产的QM-3SP2-CL型行星式球磨机上球磨24 h；湿混后的浆料静置1 d使其充分混合；将浆料置于重庆市永生实验仪器厂生产的CS101型电热鼓风干燥箱中于80℃，烘干400 min，加入黏结剂经过200目筛处理后得到黏结性、可塑性良好的粉体；采用湘潭市中山仪器厂生产的SBY-10型手动压片机在20 MPa下等压30 min，将原料压制成φ=13 mmX （1-2） mm的生坯圆片，置于氧化铝坩埚中，在箱式电阻炉中，由室温加热至120℃，恒温1h，继续加温至500℃，恒温8h，对生坯进行排塑处理；将生坯置于石墨坩埚中后放入天舟海泰科技有限公司生产的TECHTAL-CQ24-80型真空碳管烧结炉中，于流动的氩气气氛下进行无压烧结，按10℃/min的速率升温至l400℃，再以5℃/min升温至1450℃，恒温30 min后以5℃/min的速率升温至1900℃，分别恒温1h、1.5 h、2h后随炉自然降温至室温。

1.2性能测试

碳灰硅复合陶瓷样品性能内容测试如表1所示。

2 结果与讨论

2.1 SiC复合陶瓷样品的XRD分析

图l为所制备系列SiC+ （Al2O3-MgO-Y2O3）夏合陶瓷的XRD图谱。从下至上分别为纯SiC和保温时间分别为1h、1.5 h、2h的陶瓷样品，其主晶相均为6H-SiC，各衍射峰清晰明锐，结晶度较高；通过检索分析，在2θ角大约为45.026°处，3个样品均出现SiO2衍射峰，其中，保温时间为1.5 h陶瓷样品的SiO2衍射峰较明显；3个样品在2θ角大约为33.360°处均出现Y3Al5O12衍射峰，这说明在烧结过程中Y2O3与Al2O3发生反应生成了Y3Al5O12；保温时间为1h，1.5 h的样品分别在2θ角大约为26.690°，28.795°处出现SiO2衍射峰。

2.2 SiC复合陶瓷样品的致密性

将不同烧结方法烧成的SiC+ （Al2O3-MgO-Y2O3）复合陶瓷样品通过阿基米德排水法获得体密度和显气孔率，结果表明，保温时间1h、1.5 h和2h碳化硅复合陶瓷样品的体密度分别为2.48 g/cm3，2.59 g/cm3和2.32 g/cm3，气孔率分别为27.67%、20.92%和34.62%。体密度随着保温时间的延长先增加后减小，显气孔率则呈相反趋势。

为了降低样品的烧失率，均采用粉体埋烧处理。通过对系列样品烧结前后的质量与密度比较，发现在烧结过程中均存在着一定的质量流失。保温时间1h、1.5 h和2h碳化硅复合陶瓷样品的质量损失分别为0.162 6g、0.150 9g和0.132 4g。随着保温时间的增加，质量损失不断降低，密度则呈先减小后增大的趋势。质量损失产生的原因可能是由于烧结温度过高，烧结助剂在烧结过程中挥发。

2.3 SiC复合陶瓷样品的微观形貌分析

图2为烧结温度为l900℃，保温时间从1h增加到2h，烧结成的碳化硅陶瓷样品在3000倍時的SEM扫描图片，其中a，b，c分别代表1h、1.5 h、2h。保温时间为1h时，晶粒尺寸大小不一，且分布不均匀，存在着孔洞。保温时间为1.5 h时，材料的晶粒表面较光滑无棱角，孔洞较多，致密性较差。保温时间为2h时，材料的晶粒为长条状，棱角分明，晶粒尺寸明显增大，孔隙较少，致密性良好。

2.4 SiC复合陶瓷样品的热膨胀系数的检测与分析

保温时间1h，1.5 h和2 h碳化硅复合陶瓷样品在-100～150℃温度范围内的平均热膨胀系数分别为3.65 X 10-6 K-l，2.48 X10-6 Kl和2.89X10-6 Kl，随保温的增加并未呈现线性减小的趋势。

3 结语

本实验以Al2O3-MgO-Y2O3为烧结助剂，采用无压液相烧结工艺，在氩气保护下，分别在不同保温时间制备了SiC复合陶瓷。结果表明：保温2h时，SiC陶瓷主晶相为6H-SiC，且是单相SiC；它的表面光滑，致密性良好，密度较大，所以比较3种保温时间，保温2h为较佳保温时间。

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