D01:10.133741.ism1001053x.2008.12.0I9 第30卷第12期 北京科技大学学报 Vol.30 No.12 2008年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2008 碳化硅陶瓷的放电等离子烧结 张勇何新波曲选辉王玉会 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要采用添加了A03和Y203助烧剂的碳化硅微粉为原料，通过放电等离子烧结(SPS技术快速制备了碳化硅陶瓷.分 析了材料致密化过程，并重点研究了烧结工艺参数对材料致密度和力学性能的影响规律.结果表明，当SPS工艺参数的烧结 温度和压力分别为1600℃和50MPa时，经过5mm的烧结，碳化硅陶瓷的致密度可达到991%，硬度为HV2550,断裂韧性 达834MPa°m2,弯曲强度达684MPa. 关键词碳化硅陶瓷：放电等离子烧结：致密度：力学性能 分类号TB383.2:TQ174.75812 Spark plasma sintering of silicon carbide ZHANG Yong.HE Xinb,QU Xuanhui.WANG Y uhui School of Materials Science and Engireering.University of Science and Technology of Beijing.Beijing 100083.China ABSTRACT Silicon carbide(SiC)ceramics with submicron silicon carbide as raw material and AbO3 and Y203 as sintering additives were fabricated by spark plama sintering(SPS).The densification process of the materials was analyzed,and the effects of sintering temperature,sintering pressure and time on the densification and mechanical properties were investigated.It is found that the SiC with a relative density of 99 1%can be achiev ed when the sintering temperature,sintering pressure and holding time are 1600C. 50MPa and 5 min,respectively.The mechanical properties of the sintered SiC are HV 2550 in hardness,8.34 MPa'min fracture toughness and 684 M Pa in bending strength. KEY WORDS silicon carbide ceramic;spark plasma sintering (SPS);densification:mechanical properties 随着科学技术的发展，特别是能源、空间技术、 试样的烧结过程，可以用于制备金属材料、陶瓷材料 汽车工业等的发展，对材料的要求越来越苛刻，迫切 及复合材料，也可用于制备纳米块体材料和非晶块 需要开发出各种新型的高性能结构材料.SiC陶瓷 体材料.烧结过程中，颗粒间的瞬间放电和高 具有高温强度和抗氧化性好、耐磨损性和热稳定性 温等离子体，可以破碎或去除粉末颗粒表面杂质（如 佳、热膨胀系数小、热导率和硬度高以及良好的抗化 氧化膜等)和吸附的气体，活化粉末颗粒表面，提高 学腐蚀性等优点一？，被广泛应用于精密轴承、密封 烧结质量和效率， 件、气轮机转子、喷嘴、热交换器部件及原子核反应 本文利用SPS烧结技术，对添加Al03和Y203 堆材料等.然而，由于碳化硅是一种共价键性很强 助烧剂的SC微粉进行快速烧结，得到了致密的碳 的化合物，其熔点很高，自扩散系数极小，烧结性很 化硅陶瓷，分析了材料致密化过程，并重点研究了烧 差，所以通常需要借助高温(2000~2300℃或添加 结工艺参数（烧结温度、压力和保温时间等）对材料 烧结助剂等条件才能形成致密的陶瓷材料，而且制 致密度的影响规律， 备周期长3， 1实验方法 放电等离子烧结(spark plasma sintering,SPS) 技术是制备块体材料的一种全新粉末治金技术，它 1.1制备过程 利用高能电火花在较低的温度和较短的时间内完成 研究所用的S汇粉末为天津艾斯达陶瓷有限公 收稿日期：200805-11修回日期：2008-07-01 基金项目：教有部新世纪优秀人才支持计划资助项目(No.NCET-060081):国家自然科学基金资助项目(Na50404012) 作者简介：张勇(1977-)，男.博士研究生：何新波(1971一），男，教授，博士生导师，E-mail xh-he@163.cm
碳化硅陶瓷的放电等离子烧结 张 勇 何新波 曲选辉 王玉会 北京科技大学材料科学与工程学院, 北京 100083 摘 要 采用添加了 Al2O3 和 Y2O3 助烧剂的碳化硅微粉为原料, 通过放电等离子烧结( SPS) 技术快速制备了碳化硅陶瓷.分 析了材料致密化过程, 并重点研究了烧结工艺参数对材料致密度和力学性能的影响规律 .结果表明, 当 SPS 工艺参数的烧结 温度和压力分别为 1 600 ℃和 50 MPa 时, 经过 5 min 的烧结, 碳化硅陶瓷的致密度可达到 99.1%, 硬度为 HV 2550, 断裂韧性 达 8.34 MPa·m 1/2 , 弯曲强度达 684M Pa. 关键词 碳化硅陶瓷;放电等离子烧结;致密度;力学性能 分类号 TB383.2 ;TQ 174.75 + 8.12 Spark plasma sintering of silicon carbide ZHANG Yong , HE Xinbo, QU Xuanhui, WANG Y uhui S chool of Materials S cience and Engineering, Universit y of Science and Technology of Beijing, Beijing 100083, China ABSTRACT Silicon carbide ( SiC) ceramics with submicro n silicon carbide as raw material and Al2O3 and Y2O3 as sintering additives w ere fabricated by spark plasma sintering ( SPS) .The densification process of the materials was analyzed, and the effects of sintering temperature, sintering pressure and time on the densificatio n and mechanical properties were investig ated .It is found that the SiC w ith a relative density of 99.1 % can be achiev ed when the sintering temperature, sintering pressure and holding time are 1 600 ℃, 50 MPa and 5 min, respectiv ely .The mechanical properties of the sintered SiC are HV 2550 in hardness, 8.34 MPa·m 1/ 2 in fracture toughness and 684 MPa in bending strength . KEY WORDS silicon carbide ceramic;spark plasma sintering ( SPS) ;densification ;mechanical properties 收稿日期:2008-05-11 修回日期:2008-07-01 基金项目:教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目( No .NCET-06-0081) ;国家自然科学基金资助项目( No.50404012) 作者简介:张 勇( 1977—) , 男, 博士研究生;何新波( 1971—) , 男, 教授, 博士生导师, E-mail:xb -he @163.com 随着科学技术的发展, 特别是能源、空间技术 、 汽车工业等的发展, 对材料的要求越来越苛刻, 迫切 需要开发出各种新型的高性能结构材料 .SiC 陶瓷 具有高温强度和抗氧化性好、耐磨损性和热稳定性 佳、热膨胀系数小、热导率和硬度高以及良好的抗化 学腐蚀性等优点 [ 1-2] , 被广泛应用于精密轴承、密封 件、气轮机转子、喷嘴、热交换器部件及原子核反应 堆材料等.然而, 由于碳化硅是一种共价键性很强 的化合物, 其熔点很高, 自扩散系数极小, 烧结性很 差, 所以通常需要借助高温( 2 000 ～ 2 300 ℃) 或添加 烧结助剂等条件才能形成致密的陶瓷材料, 而且制 备周期长[ 3-5] . 放电等离子烧结( spark plasma sintering, SPS) 技术是制备块体材料的一种全新粉末冶金技术, 它 利用高能电火花在较低的温度和较短的时间内完成 试样的烧结过程, 可以用于制备金属材料 、陶瓷材料 及复合材料, 也可用于制备纳米块体材料和非晶块 体材料[ 6-8] .烧结过程中, 颗粒间的瞬间放电和高 温等离子体, 可以破碎或去除粉末颗粒表面杂质( 如 氧化膜等) 和吸附的气体, 活化粉末颗粒表面, 提高 烧结质量和效率. 本文利用 SPS 烧结技术, 对添加Al2O3 和 Y2O3 助烧剂的SiC 微粉进行快速烧结, 得到了致密的碳 化硅陶瓷, 分析了材料致密化过程, 并重点研究了烧 结工艺参数( 烧结温度、压力和保温时间等) 对材料 致密度的影响规律 . 1 实验方法 1.1 制备过程 研究所用的 SiC 粉末为天津艾斯达陶瓷有限公 第 30 卷 第 12 期 2008 年 12 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol.30 No.12 Dec.2008 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2008.12.019
第12期 张勇等：碳化硅陶瓷的放电等离子烧结 。1415。 司提供的SiC微粉，粒度为02~0.6m,具体成分 第I阶段是温度在20~800℃之间.位移从零 (质量分数，%为SiC98.65,B4C0.70,C0.08, 开始负向增加，说明烧结体在20~800℃温度区间 Si0.02.0060,Fe001:微观形貌见图1.烧结助 内处于体积膨胀阶段，而且膨胀逐渐变大，800℃时 剂为市售的A1203、Y03化学试剂，分析纯. 负位移达到最大值，即体积膨胀至最大.因此，20~ 800℃温度区间为体积膨胀区.其原因是亚微米级 的碳化硅微粉(0.2~0.6m)吸附气体较多，这种吸 附气体在温度的升高和负压的作用下，不牢固的物 理吸附首先解吸，然后在较高的温度下产生化学吸 附气体的解吸，烧结体内部产生放气，未能溢出，造 成体积膨胀：此外，碳化硅微粉表面的氧（约为 0.6%在较高的温度与自身的残碳(008%发生的 碳氧反应，生成的C0气体未能及时溢出，增加了烧 图1碳化硅微粉的SEM照片 结体膨胀.第Ⅱ阶段是温度在800~1100℃之间. Fig 1 SEM image of SiC powder 这一区间烧结体从膨胀开始转为收缩，且开始收缩 非常明显，随后变得缓慢，但仍低于位移零点，说明 将SiC微粉和10%（质量分数）的烧结助剂 粉体内产生的气体达到一定程度后，迅速冲破粉末 (Al03和Y203摩尔比为53)放入尼龙球磨罐中， 体阻力大量溢出，造成位移的迅速回落.之后随着 以酒精为介质，氧化铝陶瓷球为磨球，球磨15h.干 烧结的进行，吸附气体放气过程逐渐减少直至结束， 燥破碎后经过240目筛得到混合均匀的粉末，放入 烧结体位移慢慢回落，并在1100℃时回到位移零 石磨模具中，进行SPS烧结，升温速率为 点，烧结体放气和气体溢出过程基本结束.第阶 100℃min1,烧结温度为1500~1700℃，保温时 段是温度在1100~1600℃之间.这一区间烧结体 间为1~5min,压力为10~50MPa. 位移值迅速增大，说明从1100℃开始，烧结体开始 1.2测试方法 迅速收缩，烧结过程开始，粉末表面开始激烈扩散 用Archimedes法测定试样的密度；试样采用 随着温度的进一步升高，开始出现液相，收缩趋势变 K[Fe(CN)d和KOH的混合液进行热腐蚀后，使 大并直至约1600Q收缩结束.第V阶段为1600℃ 用X射线衍射仪和扫描电镜进行微观分析. 的保温阶段.这一区间位移保持不变，说明烧结体 2结果及讨论 收缩结束，致密化过程结束，随着保温时间的进一步 延长，烧结体也不再收缩变化，整个烧结过程结束. 21SPS烧结致密化过程 2.2烧结参数对致密度的影响 图2为烧结温度、位移随时间的变化曲线图，图 图3为烧结压力和保温时间分别为50MPa和 中位移曲线的正值表示烧结体收缩，负值表示烧结 5min时，烧结温度和烧结压力与烧结体致密度的关 体膨胀.根据烧结体的位移变化情况，由低温到高 系.从图3(a)中可以发现，随着温度的升高，烧结试 温将烧结致密化过程分为四个阶段，如图2所示的 样的密度先增加后降低，在1600℃时达到了最高值 I、Ⅱ、和V四阶段 98%.烧结体致密度在超过1600℃不再提高反而 10 有略微降低的原因主要是部分A103在过高温度下 1600 来不及生成共晶相YAG(Y3A502)就发生了挥发 1200 致使液相不足，导致材料致密度降低.图3(b)为不 同烧结压力条件下烧结体的致密度.压力为I0MPa 800 2 D 时，烧结体的致密度仅约为88%：压力继续提高，烧 400 结体致密度也继续提高，当压力为50MPa时，烧结 体达到最高致密度99%.但压力的进一步提高受石 10 15 20 25 38 墨模具抗压强度的影响，最佳的压力值为50MPa. 时间/min 不同烧结保温时间得到的烧结体致密度也不 图2S烧结碳化硅的致密化过程 同，表1为1600℃/50MPa时，保温时间分别为1， Fig 2 Densification process of SiC sintered by SPS 3,5和7min时得到的烧结体的致密度.从表可知
司提供的 SiC 微粉, 粒度为 0.2 ～ 0.6 μm, 具体成分 ( 质量分数, %) 为 SiC 98.65, B4C 0.70, C 0.08, Si 0.02, O 0.60, Fe 0.01 ;微观形貌见图 1 .烧结助 剂为市售的Al2O3 、Y2O3 化学试剂, 分析纯. 图 1 碳化硅微粉的SEM 照片 Fig.1 SEM image of SiC pow der 将 SiC 微粉和 10 %( 质量分数) 的烧结助剂 (Al2O3 和 Y2O3 摩尔比为 5∶3) 放入尼龙球磨罐中, 以酒精为介质, 氧化铝陶瓷球为磨球, 球磨 15 h .干 燥破碎后经过 240 目筛得到混合均匀的粉末, 放入 石磨 模 具 中, 进 行 SPS 烧 结, 升 温 速 率 为 100 ℃·min -1 , 烧结温度为 1 500 ～ 1 700 ℃, 保温时 间为 1 ～ 5 min, 压力为 10 ～ 50 MPa . 1.2 测试方法 用 Archimedes 法测定试样的密度;试样采用 K3[ Fe( CN) 6] 和 KOH 的混合液进行热腐蚀后, 使 用 X 射线衍射仪和扫描电镜进行微观分析. 2 结果及讨论 图2 S PS 烧结碳化硅的致密化过程 Fig.2 Densification process of SiC sintered by SPS 2.1 SPS 烧结致密化过程 图 2 为烧结温度 、位移随时间的变化曲线图, 图 中位移曲线的正值表示烧结体收缩, 负值表示烧结 体膨胀 .根据烧结体的位移变化情况, 由低温到高 温将烧结致密化过程分为四个阶段, 如图 2 所示的 Ⅰ 、Ⅱ 、Ⅲ和Ⅳ四阶段 . 第 Ⅰ阶段是温度在 20 ～ 800 ℃之间 .位移从零 开始负向增加, 说明烧结体在 20 ～ 800 ℃温度区间 内处于体积膨胀阶段, 而且膨胀逐渐变大, 800 ℃时 负位移达到最大值, 即体积膨胀至最大 .因此, 20 ～ 800 ℃温度区间为体积膨胀区 .其原因是亚微米级 的碳化硅微粉( 0.2 ～ 0.6 μm) 吸附气体较多, 这种吸 附气体在温度的升高和负压的作用下, 不牢固的物 理吸附首先解吸, 然后在较高的温度下产生化学吸 附气体的解吸, 烧结体内部产生放气, 未能溢出, 造 成体积膨胀 ;此外, 碳化硅微粉表面的氧( 约为 0.6 %) 在较高的温度与自身的残碳( 0.08 %) 发生的 碳氧反应, 生成的 CO 气体未能及时溢出, 增加了烧 结体膨胀 .第Ⅱ阶段是温度在 800 ～ 1 100 ℃之间. 这一区间烧结体从膨胀开始转为收缩, 且开始收缩 非常明显, 随后变得缓慢, 但仍低于位移零点, 说明 粉体内产生的气体达到一定程度后, 迅速冲破粉末 体阻力大量溢出, 造成位移的迅速回落 .之后随着 烧结的进行, 吸附气体放气过程逐渐减少直至结束, 烧结体位移慢慢回落, 并在 1 100 ℃时回到位移零 点, 烧结体放气和气体溢出过程基本结束 .第 Ⅲ阶 段是温度在 1 100 ～ 1 600 ℃之间 .这一区间烧结体 位移值迅速增大, 说明从 1 100 ℃开始, 烧结体开始 迅速收缩, 烧结过程开始, 粉末表面开始激烈扩散. 随着温度的进一步升高, 开始出现液相, 收缩趋势变 大并直至约 1 600 ℃收缩结束 .第Ⅳ阶段为 1 600 ℃ 的保温阶段.这一区间位移保持不变, 说明烧结体 收缩结束, 致密化过程结束, 随着保温时间的进一步 延长, 烧结体也不再收缩变化, 整个烧结过程结束. 2.2 烧结参数对致密度的影响 图 3 为烧结压力和保温时间分别为 50 MPa 和 5 min 时, 烧结温度和烧结压力与烧结体致密度的关 系 .从图 3( a) 中可以发现, 随着温度的升高, 烧结试 样的密度先增加后降低, 在 1 600 ℃时达到了最高值 98 %.烧结体致密度在超过 1 600 ℃不再提高反而 有略微降低的原因主要是部分Al2O3 在过高温度下 来不及生成共晶相 YAG( Y3Al5O12) 就发生了挥发, 致使液相不足, 导致材料致密度降低 .图 3( b) 为不 同烧结压力条件下烧结体的致密度.压力为 10M Pa 时, 烧结体的致密度仅约为 88 %;压力继续提高, 烧 结体致密度也继续提高, 当压力为 50 M Pa 时, 烧结 体达到最高致密度99 %.但压力的进一步提高受石 墨模具抗压强度的影响, 最佳的压力值为 50 M Pa. 不同烧结保温时间得到的烧结体致密度也不 同, 表 1 为 1 600 ℃/50 M Pa 时, 保温时间分别为 1, 3, 5 和 7 min 时得到的烧结体的致密度 .从表可知, 第 12 期 张 勇等:碳化硅陶瓷的放电等离子烧结 · 1415 ·
。1416 北京科技大学学报 第30卷 100 3.30 100 3.30 (a) 3.25 (b) 3.25 ● 3.20 96 3.20 3.15 92 3.15 3.10 3.10 3.05 9 。相对密度 88 3.00 ·一相对密度 3.05 e密度 e密度 3.00 84 2.95 84 2.90 2.95 2.85 80 2.90 1500 1550 16001650 1700 10 20 30 40 50 烧结温度/℃ 烧结压力MPa 图3烧结温度（和烧结压力(b)对烧结体致密度的影响 Fig.3 Effect of sintering temperature (a) and sintering presure (b)on the densit ies of the sintered SiC 表1不同保温时间对致密度的影响 晶粒的长大 Table I Effect of holding time on the densification 2.3力学性能 SS保温时间/min 密度/(g"cm一) 相对密度/% 图4Hd显示了烧结温度对烧结体力学性能的 1 3.15 95.45 影响.从图中可以看出，维氏硬度随着温度的提高 3 3.21 97.27 在1650℃时达到最大值，断裂韧性和抗弯强度则随 327 99.10 着温度的升高而提高并在烧结温度为1700℃时取 7 3.27 99.10 得最大值.图4)为烧结压力对烧结体力学性能的 随着烧结时间的延长，致密度缓慢提高，5min时烧 影响.随着烧结压力的提高，维氏硬度、断裂韧性和 结体的密度达3.27gcm3,致密度达99.10%，进 抗弯强度等都逐渐提高，并在1700℃时.达到最 一步提高保温时间，材料密度变化不变，而且易造成 大值 700 800 (a) 600 700 b 500 编物 200 20 100 1 10 10 9 2600 2600 2400 2400 2200 2200 2000 2000 1800 1800 1600 1600 1400￥ 1400* 1200 1200 5001550160016501700 0 20304050 烧结温度℃ 烧结压力MP 图4烧结温度（和烧结压力(b)对烧结体力学性能的影响 Fig.4 Effect of sintering temperature (a)and sintering pressure (b)on the mecharical properties of the sintered Sic
图 3 烧结温度( a) 和烧结压力( b) 对烧结体致密度的影响 Fig.3 Eff ect of sint ering t emperature ( a) and sint ering p ressure ( b) on the densities of the sintered S iC 图 4 烧结温度( a) 和烧结压力( b) 对烧结体力学性能的影响 Fig.4 Effect of sint ering temperatu re ( a) and sintering pressure ( b) on the mechani cal properti es of the sintered SiC 表 1 不同保温时间对致密度的影响 Table 1 Effect of holding time on the densifi cation SPS 保温时间/min 密度/ ( g·cm -3 ) 相对密度/ % 1 3.15 95.45 3 3.21 97.27 5 3.27 99.10 7 3.27 99.10 随着烧结时间的延长, 致密度缓慢提高, 5 min 时烧 结体的密度达 3.27 g·cm -3 , 致密度达 99.10 %, 进 一步提高保温时间, 材料密度变化不变, 而且易造成 晶粒的长大 . 2.3 力学性能 图 4( a) 显示了烧结温度对烧结体力学性能的 影响.从图中可以看出, 维氏硬度随着温度的提高, 在 1 650 ℃时达到最大值, 断裂韧性和抗弯强度则随 着温度的升高而提高并在烧结温度为 1 700 ℃时取 得最大值.图 4( b) 为烧结压力对烧结体力学性能的 影响 .随着烧结压力的提高, 维氏硬度 、断裂韧性和 抗弯强度等都逐渐提高, 并在 1 700 ℃时, 达到最 大值. · 1416 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 30 卷
第12期 张勇等：碳化硅陶瓷的放电等离子烧结 。1417。 由表2可知，随着保温时间的提高，维氏硬度、 2.4显微组织 断裂韧性和抗弯强度都逐渐提高，但保温时间超过 图5为烧结温度、压力和保温时间分别为 3min后，材料的力学性能增幅不大，保温时间延长 1600℃50MPa和5min时，碳化硅陶瓷的SEM照 到5min时，力学性能达到最佳值 片.图5(d为表面SEM照片，可以看出，碳化硅晶 表2保温时间对烧结体力学性能的影响 粒大约为1~2m,说明碳化硅通过SPS快速烧结， Table 2 Effect of holding time on the mechanical pmoperties of the sin- tered SiC 较好地抑制了晶粒长大，晶粒仅从0.6m长大到 1~2m左右，而且整体晶粒大小均匀，没有出现个 保温时间/ 硬度， 断裂韧性/ 弯曲强度/ 别晶粒的异常长大；图(b)为断口SEM照片，可以 min HV (MPa'm2) MPa 看到，断裂方式主要为沿晶断裂，晶界较为清晰，在 1 1791 6.23 245.8 晶界上存在一定厚度或晶粒度的YAG相，说明 3 2015 7.01 453.0 YAG对SC晶粒有相对弱的润湿性，从而集聚在晶 5 2250 7.97 599.3 粒与晶粒的三晶结合区内. 图5碳化硅表面（和断面(b)的SEM形貌 Fig.5 SEM images of surface (a)and fracture suface (b)of the sintered SC 2000.46.4 3结论 [2 Jensen R J,Luecke W E.Padture N P.High tem perature prop erties of Iquid phase sintered a-SiC.Mater Sci Eng A.2000. (I)碳化硅的SPS烧结致密化过程主要分为以 282(12):109 下四个区，即放气膨胀区、气体溢出收缩区、烧结收 [3 Magnani G.Minoccari G L,Pilottir L.Flexural strength and 缩区和烧结完成区 toughness of liquid phase sintered silicon carbide.Ceram Int, (2)烧结温度、烧结压力和烧结时间分别为 2000.26:495 1600℃，50MPa和5min时是较佳的烧结工艺参 [4 Baud S,Thevenat F.Pisch A,et al.High temperature sintering of SiC w ith oxide additives:I.Analysis in the SiC-AlO and 数，在此工艺条件下烧结，烧结SiC的密度为 3.27g“am3,致密度达99.1%. SiC-Al03-Y203 systems.Eur Ceram Soc.2003.23:I [5 She J H.Uen K.Effect of additive content on liquidphase sin- (3)在较佳工艺条件下获得的SiC具有如下力 tering on silcon catbide ceramics.Mater Res Bull,1999.34 学性能：硬度为HV2550,断裂韧性为8.34MPa° (10/11):1629 m2,弯曲强度达684MPa. [6 Grande T,Sommerset H,Hagen E et al.Effect of weight loss (4④经过SPS烧结的碳化硅，其晶粒大小为1~ on liquid-phase-sintered silicon carbide.J Am Ceram Soc,1997, 80.1047 2m,表明SPS快速烧结能较好地控制晶粒的长 [7]Tamari N,Tanaka T,Tanaka K,et al.Effect of spark plasma 大，而且晶粒大小均匀，无晶粒的异常长大 sinterin on densification and mechanical properties of silicon car lide.J Ceram SocJpn,1995,103(7):740 参考文献 [8 Francois G.Allemand A,Lukwicz,et al.Densification of SiC by [1]Izhevskyi V A,GenovaL A,Bressiari JC,et al.Review article: SPS-effects of time,temperature and prssure.J Eur Ceram silicon carbide structure,properties and processing.Ceramica. S0c,2007,27(7):2725
由表 2 可知, 随着保温时间的提高, 维氏硬度 、 断裂韧性和抗弯强度都逐渐提高, 但保温时间超过 3 min 后, 材料的力学性能增幅不大, 保温时间延长 到 5 min 时, 力学性能达到最佳值 . 表 2 保温时间对烧结体力学性能的影响 Table 2 Eff ect of holding time on the mechani cal p roperties of the sint ered SiC 保温时间/ min 硬度, HV 断裂韧性/ ( MPa·m 1/2 ) 弯曲强度/ MPa 1 1 791 6.23 245.8 3 2 015 7.01 453.0 5 2 250 7.97 599.3 2.4 显微组织 图 5 为烧结温度 、压力和保 温时间分别为 1 600 ℃、50M Pa 和 5 min 时, 碳化硅陶瓷的 SEM 照 片 .图 5( a) 为表面 SEM 照片, 可以看出, 碳化硅晶 粒大约为 1 ～ 2 μm, 说明碳化硅通过 SPS 快速烧结, 较好地抑制了晶粒长大, 晶粒仅从 0.6 μm 长大到 1 ～ 2 μm左右, 而且整体晶粒大小均匀, 没有出现个 别晶粒的异常长大 ;图( b) 为断口 SEM 照片, 可以 看到, 断裂方式主要为沿晶断裂, 晶界较为清晰, 在 晶界上存在一定厚度或晶粒度的 YAG 相, 说明 YAG 对 SiC 晶粒有相对弱的润湿性, 从而集聚在晶 粒与晶粒的三晶结合区内. 图 5 碳化硅表面( a) 和断面( b) 的SEM 形貌 Fig.5 SEM images of surface ( a) and fracture su rf ace ( b) of the sintered S iC 3 结论 ( 1) 碳化硅的 SPS 烧结致密化过程主要分为以 下四个区, 即放气膨胀区 、气体溢出收缩区、烧结收 缩区和烧结完成区. ( 2) 烧结温度、烧结压力和烧结时间分别为 1 600 ℃、50 MPa 和 5 min 时是较佳的烧结工艺参 数, 在此工 艺条 件下 烧结, 烧结 SiC 的 密度 为 3.27 g·cm -3 , 致密度达 99.1 %. ( 3) 在较佳工艺条件下获得的 SiC 具有如下力 学性能:硬度为 HV 2550, 断裂韧性为 8.34 MPa· m 1/ 2 , 弯曲强度达 684 M Pa. ( 4) 经过 SPS 烧结的碳化硅, 其晶粒大小为1 ～ 2 μm, 表明 SPS 快速烧结能较好地控制晶粒的长 大, 而且晶粒大小均匀, 无晶粒的异常长大. 参 考 文 献 [ 1] Izhevskyi V A, Genova L A, Bressiani J C, et al.Review arti cle: silicon carbide structure, properties and processing .Cerami ca, 2000, 46:4 [ 2] Jensen R J, Luecke W E, Padture N P .High tem peratu re properties of liquid phase sint ered α-SiC .Mater Sci E ng A, 2000, 282( 12) :109 [ 3] Magnani G, Minoccari G L, Pilottir L .Flexural strength and toughness of liquid phase sintered silicon carbide.Ceram Int , 2000, 26:495 [ 4] Baud S, Thevenot F, Pisch A, et al.High temperature sint ering of S iC w ith oxide additives:Ⅰ .Analysis in the SiC-Al 2O3 and SiC-Al2O3-Y2O3 systems.Eur Ceram Soc, 2003, 23:1 [ 5] She J H, Ueno K.Effect of additive content on liquid-phase sintering on silicon carbide ceramics.Mater Res Bull, 1999, 34 ( 10/ 11) :1629 [ 6] Grande T , Sommerset H, Hagen E, et al.Effect of weight loss on liquid-phase-sintered silicon carbide.J A m Ceram Soc, 1997, 80:1047 [ 7] Tamari N, Tanaka T, Tanaka K, et al.Effect of spark plasma sintering on densifi cati on and mechanical properties of silicon carbide .J Ceram S oc Jpn , 1995, 103( 7) :740 [ 8] Francois G, Allemand A, Lulewicz, et al.Densification of S iC by SPS-effects of time, temperature and p ressure.J Eur Cer am Soc, 2007, 27( 7) :2725 第 12 期 张 勇等:碳化硅陶瓷的放电等离子烧结 · 1417 ·