“碳化硅增材制造-烧结技术”

2、反应烧结SiC(Reaction Bonded Silicon Carbide, RB)

    将碳化硅粉、碳粉与有机粘结剂混合，经过成型、干燥、排胶（脱脂），最后渗硅获得制品。国内外制造反应烧结碳化硅绝大部分都采用此方法。

    烧结过程中几乎没有收缩及尺寸变化，具有烧结温度低、产品结构致密、生产成本低等优点，适合制备大尺寸复杂形状碳化硅陶瓷制品。

  反应烧结SiC 的密度3.05g/cm^3~3.15g/cm^3，弹性模量380GPa~430GPa，弯曲强度350-500 MPa，断裂韧性4.0-5.0 MPa·m^1/2。但随着Si 含量增加，强度和断裂韧性线性下降；当Si 含量一定时，随着SiC 晶粒尺寸减小，强度增大。高温下游离硅塑性增大，使材料的断裂韧性随温度增大，从室温下4 MPa·m^1/2 增加到1200 ℃下的12 MPa·m^1/2。

    为了保证渗硅的完全，素坯(α-SiC+C)应当具有足够的孔隙度。因此必须严格控制素坯密度，通过调整最初混合料中α-SiC 和C 的含量、α-SiC 的粒度级配、C 的形状和粒度以及成型压力等手段可以获得适当的素坯密度。反应完成后SiC颗粒的残留气孔由游离Si 填充，从而可以获得致密烧结体。

    采用亚微米级SiC(0.4-0.5 μm)颗粒为原料，调节配方中C 和SiC 的质量比值在0.1-0.5 之间，通过湿法成型制备素坯，反应烧结制备密度达到3.1 g/cm^3 的RBSC 陶瓷材料，由于材料中游离Si 的尺寸细小，普遍在100 nm 以下，材料组织分布均匀，因此材料抗弯强度可以达到1000 MPa 以上。

    反应烧结SiC 陶瓷材料的使用温度一般不超过1400 ℃。当温度过高时，游离Si 熔化，从而导致材料的强度迅速下降。

    注：也可通过裂解高分子聚合物，制备全碳多孔坯体，再经高温渗硅制备了高性能的反应烧结碳化硅，但成本很高。

    3.1固相烧结

    在α-SiC/β-SiC 粉体（亚微米级）中同时加入少量B 和C作为烧结助剂，2020℃/2050℃常压/真空条件下烧结，可获得致密碳化硅。通常B 的添加量在0.5wt.%左右，而C 的添加量则取决于SiC粉末中氧含量的高低，一般随着SiC 粉末中氧含量的增加而适当提高。对SiC 具有固相烧结作用的添加剂还有B4C+C、BN+C、BP+C、AlB2+C 等。其中B4C+C 也是目前常用的固相烧结添加剂。

    固相烧结的SiC 陶瓷，除了少量残留C 外，不存在第二相或晶界无玻璃相，晶界洁净，高温性能良好，可以使用到1600 ℃而性能基本不变。但固相烧结的SiC 不能达到完全致密，通常在晶粒的三角晶界处存在少量闭口气孔，而且高温时易导致晶粒长大。

    3.2液相烧结

    液相烧结一般以一定数量的多元低共熔氧化物为烧结助剂，在较低温度下材料以液相烧结机制实现SiC 的致密化。常用液相烧结助剂如Y2O3、Al2O3，可原位形成了YAG(Y3Al5O12)。

    由于液相烧结温度较低，其晶粒不易长大，呈细小均匀等轴状，同时由于晶界液相的引入和独特的界面结构导致了界面结合弱化，材料的断裂也变为完全的沿晶断裂模式，结果使得材料的强度和韧性显著提高。

    SiC 的无压烧结技术已经非常成熟，可以采用多种成型工艺，突破产品形状和尺寸的限制，在适当添加剂的作用下可以获得较高的强度及韧性。此外，SiC 的无压烧结操作简单，成本适中，适用于批量化生产。

    无压烧结碳化硅密度可达3.10 g/cm^3~3.18 g/cm^3，弹性模量410GPa~450GPa，弯曲强度400MPa~550MPa。

4、热压烧结SiC(Hot-pressed Silicon Carbide, HP)

5、热等静压烧结SiC(Hot Isostatic Pressuring Sintering Silicon Carbide, HIP)