【摘 要】针对碳化硅陶瓷材料研究的制备与应用探讨问题，探讨了碳化硅陶瓷的制备方法及其性能，介绍了碳化硅陶瓷材料制备的反应烧结法，无压烧结法和液相烧结法，总结碳化硅材料以其优异的性能，介绍了它的应用范围，展望了碳化硅陶瓷材料的发展趋势。
【关键词】碳化硅陶瓷；陶瓷材料；陶瓷烧结；烧结法
0.引言
由于碳化硅陶瓷具有超硬性能，又具有高温强度和抗氧化性好、耐磨性能和热稳定性高、热膨胀系数小、热导率高、化学稳定性好等优点，可制备成各种磨削用的砂轮、砂布、砂纸以及各类磨料，广泛应用于机械制造加工行业。它还可以应用在军事方面，例如将碳化硅陶瓷与其他材料一起组成的燃烧室及喷嘴，这种技术已应用于火箭技术中。同时在航空、航天、汽车、机械、石化、冶金和电子等行业得到了广泛的应用，碳化硅密度居中，硬度和弹性模量较高，还可用于装甲车辆和飞机机腹及防弹防刺衣等。由于碳化硅产品具有操作简单方便，使用寿命长，使用范围广等优点，使碳化硅产品的市场发展前景广阔，因此受到很多国家的重视，一直是材料学界研究的重点，如何制得高致密度的碳化硅陶瓷也是研究者一直关心的课题。目前制备碳化硅陶瓷的方法主要有以下几种方法，由于制备方法的不同，碳化硅陶瓷材料的性能与制备工艺的不同有一定的相关性，本文对碳化硅陶瓷的制备方法及其应用进行了介绍。
1.反应烧结法制备陶瓷与应用
反应烧结法也可称为活化烧结或强化烧结法。需要指出活化烧结和强化烧结的机理有所不同。活化烧结的过程是指可以降低烧结活化能，使体系的烧结可以在较低的温度下以较快速度进行，并且使得烧结体性能得到提高的烧结方法。而强化烧结的过程泛指能增加烧结速率，或强化烧结体性能（通过合金化或者抑制晶粒长大）的所有烧结过程。可见它们的制备机理是存在差异的。反应烧结强调反应，这是一种化学过程，也就是有一种物质变成另外一种物质，例如，在制备碳化硅的过程中，就会在确定的温度下发生Si+C→SiC 的化学反应。这种反应过程就是将碳化硅粉料和碳颗粒制成多孔坯体，然后将多孔坯体干燥后利用马弗炉加热至1450～1470℃，在这样的条件下就可以使，熔融的硅渗入坯体内部与碳反应生成碳化硅。这一机理的探讨源于上世纪七十年代，当时由于世界范围内的石油危机，能源问题对世界各国的经济发展带来巨大的挑战，为了提高内燃发动机的效率，科学家们开始考虑使用高温陶瓷材料替代内燃机的金属部件，这样就可以提高效率。在1973年，英国人KennedyP和ShennanJV等开始了反应烧结制备碳化硅的深入研究[1]，1978年，英国剑桥大学的SawyerGR等人采用扫描电镜、透射电镜、光学显微镜和 X 射线衍射等手段对反应烧结碳化硅的微观结构进行了一系列的定量表征[2]，从碳化硅的制备机理给与了探讨；1990年，日本的LimCB等人研究了反应烧结碳化硅中强度、气孔率与微观结构的关系，随着研究的进一步深入，反应烧结碳化硅产品开始逐步走向商业化。
2.无压烧结法制备陶瓷与应用
无压烧结法是在常压条件，也就是在一个标准大气压的惰性气体气氛中进行烧结。这种烧结可以把粉状物料转变为致密体，这是一个传统的工艺过程。人类很早就开始利用这个工艺来生产陶瓷、粉末冶金、耐火材料、超高温材料等。我国古代就可以制备精美的工艺瑰宝，流传至今。
一般来说，粉体经过成型后，通过烧结得到的致密体是一种多晶材料，其显微结构由晶体、玻璃体和气孔组成。给人类美的享受。它的烧结过程直接影响显微结构中的晶粒尺寸、气孔尺寸及晶界形状和分布。无机材料的性能不仅与材料组成（化学组成与矿物组成）有关，还与材料的显微结构有密切的关系。但这种烧结方法只停留在观赏。在1956年，美国的AlliegroRA等人发现，加入某一物质可以使热压烧结碳化硅中发生促进烧结的作用，此后，实验证实，许多物质如：Al、Fe、Cr、Ca、Ni、Al+Fe、Zr和Mn等能够促进碳化硅的烧结过程。1975年，Prochazka S 等人在碳化硅坯体中加入不同的两种物质，通过无压固相烧结成功制备出碳化硅陶瓷。ProchazkaS等人的实验采用的是高纯的亚微米级β-SiC粉体，并在其中加入少量不同的两种物质，他们的研究结果对无压烧结法的机理带来了重要的影响因素，实验证明碳化硅的坯体通过固相烧结致密化，β-SiC在烧结过程中产生相变并发生晶粒长大，这种晶粒的大小与陶瓷的强度有关。由于碳化硅是高熔点的强共价键材料，这项研究结果报道后引起了许多研究者大量的关注，并且对碳化硅烧结过程的研究论文得到大量的引用。在 ProchazkaS的研究成果发表后不久，人们就发现 加入不同的两种物质对β-SiC的烧结促进作用同样适用于α-SiC。因此，使大部分碳化硅陶瓷产品得到大量应用。
3.液相烧结法制备陶瓷与应用
液相烧结法最早应用在7000年前，那就是古人用粘土烧制砖块。开发液相烧结技术是由爱迪生发明的电灯丝所驱动。碳化硅的液相烧结开始于1975年，LangeFF首次在碳化硅的热压烧结过程中加入了部分氧化铝以促进碳化硅坯体的致密化。当今的利用高新技术广泛采用液相烧结技术制造陶瓷，压电陶瓷，铁氧体和高温结构陶瓷。Al2O3在高温下与SiC粉料颗粒表面的SiO2反应形成液相，成为碳化硅颗粒之间的晶间相，通过液相传质过程使坯体致密化。
与添加不同的两种物质的碳化硅固相烧结不同的是，利用液相烧结过程中需要烧结助剂较少，这种添加剂的添加量通常只有百分之几，尽管用量较少，但在烧结完成后的晶间相中仍然会残留较多的氧化物。因此，液相烧结碳化硅的断裂方式通常是沿晶断裂，具有较高的强度和断裂韧性。ShinozakiSS和SuzukiK等人通过加入质量分数不低于3%的Al2O3，分别采用无压烧结和无压烧结与热等静压相结合的办法，系统地研究了它们的组织和力学性能。通过一系列不同的烧结制度，研究了晶粒生长、密度、强度和韦伯模数（强度分布的模数）的变化情况，并指出了晶粒的纵横比与断裂韧性之间的关系，实现了碳化硅陶瓷微观组织的原位控制技术。
4.结语
碳化硅材料因其优良的性能而得到越来越广泛的应用，不同制备工艺制得的产品性能有一定的差别。反应烧结法具有烧结温度低的优点，但烧结过程中会在坯体中留有部分残余硅，使材料的服役温度下降。液相烧结可以制备出不含残余硅的碳化硅陶瓷，但由于碳化硅的强共价键性，必须在坯体中加入氧化铝等作为烧结助剂形成液相才能使碳化硅坯体致密化。热压烧结、热等静压烧结和火花等离子体烧结碳化硅性能较高，其密度和强度通常要高于无压烧结，但在烧结过程也都需要加入B、C等作为添加剂促进坯体的烧结致密化且生产成本高，不适于制备异型件。可以实现工业化生产，满足工业和工程应用领域对相关材料日益苛刻的性能要求。
【参考文献】
[1]周平，王泌宝，李晓丽，等.碳化硅致密陶瓷材料研究进展[J].中国陶瓷，2012，（4）.
[2]陆有军，王燕民，吴澜尔.碳/碳化硅陶瓷基复合材料的研究及应用进展[J].材料导报，2010，（11）.
