随着科学技术的发展，特别是能源、空间技术的高度发展，经常要求材料必须有耐高温、抗腐蚀、耐磨损等优越性能，才能在比较苛刻的工作环境中使用。由于特种陶瓷材料具有抗氧化性强、耐磨性能好、硬度高、热稳定性好、高温强度大、热膨胀系数小、热导率大以及抗热震和耐化学腐蚀等优良特性，已成为尖端科学的重要组成部分，受到普遍重视。 碳化硅陶瓷是近二十几年才开始发展的新材料，但由于其具有特别优良的高强度、高硬度、耐腐蚀、耐高温性能，很快得到了开发应用，大量应用于石油化工、冶金机械、航空航天、微电子、汽车、钢铁等领域，并日益显示出其他特种陶瓷所无法比拟的优点。
碳化硅(SiC)陶瓷具有高温强度大、抗氧化性强、耐磨损性好、热稳定性佳、热膨胀系数小、热导率大、硬度高以及抗热震和耐化学腐蚀等优良特性，因此，已经在许多领域大显身手，并日益受到人们的重视。例如，SIC陶瓷在石油化学工业中已被广泛地用作各种耐腐蚀用容器及管道;在机械工业中已被成功地用作各种轴承、切削刀具和机械密封部件;在宇航和汽车工业中也被认为是未来制造燃气轮机、火箭喷嘴和发动机部件的最有希望的候选材料。
由于碳化硅陶瓷的高性能和在工业领域中的广泛应用，SiC的烧结一直是材料界研究的热点，如何采用较简单的生产工艺在较低的温度下制备得到高致密度的碳化硅陶瓷制品也是研究者一直关心的课题；但由于碳化硅是一种共价性极强的共价键化合物，即使在2100℃的高温下，C和Si的自扩散系数也仅为1.5×10-10和2.5×10-13 cm2/s。所以SiC很难烧结，必须借助烧结助剂或外部压力才可能在2000℃以下实现致密化。 1、无压烧结
常压烧结被认为是SiC烧结最有前途的烧结方法,通过常压烧结工艺可以制备出大尺寸和复杂形状的SiC陶瓷制品。美国GE公司通过在含微量氧(含氧量小于0.2%)高纯度的β- SiC中添加硼和碳电玉粉,在2000℃以上,惰性气氛中烧结,在2020℃下成功得到密度高于98 %的碳化硅烧结体。中科院上海硅酸盐研究所采用Y2O3 ,Al2O3 为烧结助剂,选熔点较低的YAG(Y3Al5O12)为基本的配方组元可降解塑料袋子吹膜机,在1850℃烧成了抗弯强度和断裂韧性分别为707和10.7的SiC陶瓷。山东省硅酸盐研究设计院刘宝英等添加适量的Al2O3,Y2O3为烧结助剂,采用注浆成型工艺,在1780℃制得相对密度达到97%的精细SiC复合陶瓷材料,能满足机械密封件,折叠麻将桌耐磨陶瓷的工业化生产需要。但是到目前为止,对常压烧结的SiC研究还不是很透彻,有待于进一步深入。
2、热压烧结
纯工装管理系统SiC粉热压可以达到致密,但需要高温(大于2000℃)及高压(大于35MPa)。国内外很多研究致力于添加适当的烧结助剂以便有效促进SiC热压烧结。Norton公司的Alliegro研究了B、Al、Ni、Fe、激光夜视Cr等金属添加物对SiC致密化的影响,证明Al和Fe是促进SiC热压烧结最好的添加剂。Lange研究添加Al2O3对SiC热压性能的影响,发现SiC通过液相溶解再沉淀机理达到致密。江东亮等研究了以B4C和C为添加剂的α-SiC热压烧结工艺,在2050℃下获得接近理论密度的SiC陶瓷。热压烧结虽然降低烧结温度,得到较致密和抗弯强度高的SiC陶瓷,但是热压工艺效率低,很难制造形状复杂的SiC部件,不利于工业化生产。
3、热等静压烧结
由于纯SiC很难通过常压烧结及热压烧结达到致密,而加入添加剂会影响SiC 陶瓷的某些性能。为了进一步解决上述矛盾,许多研究人员采取热等静压(HIP) 抛光磨头烧结工艺制备SiC陶瓷,并取得了良好效果,Dutta添加B和C,采用热等静压烧结工艺,在1900℃获得密度高于98%的SiC烧结体,在2000℃和138MPa 压力下,实现了无添加剂的SiC陶瓷致密烧结体。Kofune实验认为:当SiC粉粒径小于0. 6nm时,通过HIP烧结工艺,无需任何添加剂,即可在1950℃得到致密
化SiC陶瓷。中科院上硅所研究表明,在HIP烧结过程中,Al2O3 可有效促进SiC 陶瓷致密化。SiC添加3～5%的Al2O3时,采用HIP烧结工艺,在1850℃和200MPa压力下烧结1h ,可得到相对密度93.7%和抗弯强度582MPa的SiC陶瓷。虽然热等静压烧结能获得形状复杂且力学性能较好的致密SiC制品,但是因HIP烧结必须对素坯进行包封,所以目前难以实现工业化生产。
自结合SiC制备基本上是一种反应烧结过程。由α-SiC和石墨粉按一定比例混合压成坯体,高温(1600℃～1700℃)下使其与液态Si接触,坯体中的C会与外部渗入的Si发生反应,生成β-SiC ,并与α-SiC相结合,过多的Si填充于气孔,从而得到无孔致密的反应烧结体。反应烧结过程通常在真空下用感应加热石墨坩埚来完成。自结合SiC的强度在1400℃以前基本上与Si含量无关,超过1400℃由于Si的熔化,强度骤降。
目前,典型的反应烧结SiC制品主要有英国UKAEA的Refel-SiC和美国Carborundum 公司的KT-SiC。国内在山东有数家生产反应烧结碳化硅的厂家,生产工艺成熟,产品性能稳定,生产的反应烧结碳化硅密度大于3.02g/cm3,目前此类产品国内需求量大,市场前景良好。
SiC陶瓷在石油、化工、汽车、机械和宇航等领域中的应用范围越来越广泛，迫切需要在提高SiC陶瓷性能的同时，不断改进制造技术，降低生产成本。实现SiC陶瓷的低温烧结，可显著降低能耗，明显降低生产成本，推动SiC陶瓷产品的产业化。与其它结构陶瓷相比，碳化硅原料来源丰富、制备工艺方法多，可以适应各种不同使用工况的要求，是除了氧化铝以外最可能形成产业化规模的工程结构陶瓷.世界各主要陶瓷生产厂家都十分重视碳化硅材料的研究与应用开发。我国是碳化硅原料生产大国，又具有十分广泛的工业与高技术需求，此外由于碳化硅产品的需求领域覆盖高、中、低档材料，有利于产业化规模的形成.因此作为推动结构陶瓷产业化的重要突破口，我们应积极做好碳化硅材料的研制、开发与推广工作，以尽快形成我国自己的碳化硅产业。
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