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