燒結(jié)溫度對(duì)無(wú)壓燒結(jié)碳化硅陶瓷微觀(guān)結(jié)構(gòu)及性能的影響

楊新領(lǐng)　鄭奔　李志強(qiáng)　鄭浦

摘 要：以B4C為燒結(jié)助劑無(wú)壓燒結(jié)制備碳化硅陶瓷。研究了燒結(jié)溫度與碳化硅燒結(jié)體密度、三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度、維氏硬度之間的關(guān)系，并對(duì)不同溫度下制備的碳化硅陶瓷進(jìn)行了顯微結(jié)構(gòu)形貌觀(guān)察。結(jié)果表明：當(dāng)燒結(jié)溫度在2 100 ℃附近時(shí)，碳化硅陶瓷的密度達(dá)到3.16 g/cm3，相對(duì)密度超過(guò)98%，微觀(guān)形貌觀(guān)察均勻致密，三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度達(dá)到500 MPa，維氏硬度為2 750，具有較好的力學(xué)性能。

關(guān)鍵詞：碳化硅陶瓷 無(wú)壓燒結(jié) 顯微結(jié)構(gòu) 性能

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ174 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）01（c）-0054-03

碳化硅是一種共價(jià)鍵化合物，具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、低密度、高溫強(qiáng)度高等優(yōu)異性能，被用于制備碳化硅陶瓷廣泛用于密封環(huán)、耐磨噴嘴、軸承、防彈板、熱交換器、高導(dǎo)熱大規(guī)模集成電路的基片、火箭噴嘴等各種耐磨、耐熱、耐腐蝕制品[1-2]。為了提高碳化硅陶瓷的應(yīng)用性能，碳化硅陶瓷的制備工藝及工藝參數(shù)的優(yōu)化研究一直是陶瓷材料工作者的研究熱點(diǎn)，比如通過(guò)選取不同的燒結(jié)助劑、改變成型方法和工藝、改變燒結(jié)配方和工藝等等[3-6]。該文以B4C為燒結(jié)助劑，采用已工業(yè)化應(yīng)用的無(wú)壓燒結(jié)工藝，研究燒結(jié)溫度與碳化硅陶瓷密度、微觀(guān)形貌以及抗彎強(qiáng)度、維氏硬度等力學(xué)性能的關(guān)系，為工業(yè)制備碳化硅陶瓷選擇燒結(jié)溫度提供依據(jù)[7-8]。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)中選用D50為0.5 μm的碳化硼作為燒結(jié)助劑，水溶性樹(shù)脂為粘結(jié)劑。按碳化硅90 wt.%、粘結(jié)劑8 wt.%，其他添加劑2 wt.%的比例取料，球磨混勻后放入金屬模具中壓制成3 mm×4 mm×36 mm的長(zhǎng)方體素坯。將壓制好的素坯放入石墨坩堝中，然后將坩堝放入燒結(jié)爐，于氬氣保護(hù)氣氛下升溫?zé)Y(jié)。燒結(jié)過(guò)程分脫粘、燒結(jié)和降溫冷卻3個(gè)階段。脫粘溫度為600 ℃～800 ℃，時(shí)間為1 h。燒結(jié)過(guò)程通過(guò)設(shè)定不同的燒結(jié)溫度進(jìn)行燒結(jié)，保溫時(shí)間均為45 min。后自然冷卻至室溫。

1.2 性能檢測(cè)

利用阿基米德原理測(cè)量試樣的燒結(jié)密度，在INSTRON-5566萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)量三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度，試樣規(guī)格為3 mm×4 mm×36 mm，跨距20 mm，加載速率為0.5 mm/min。每種樣品端面拋光后檢測(cè)維氏硬度，并采用PHILIPS-FEI公司生產(chǎn)的Quanta 600F場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡進(jìn)行斷面的微觀(guān)形貌觀(guān)察。

2 結(jié)果與討論

相同的素坯制備工藝，不同燒結(jié)溫度下獲得的碳化硅燒結(jié)體性能數(shù)據(jù)如圖1～圖4所示。其中，圖1為燒結(jié)溫度與碳化硅燒結(jié)體密度的關(guān)系，圖2為燒結(jié)溫度與碳化硅燒結(jié)體抗彎強(qiáng)度、硬度的關(guān)系，圖3為不同燒結(jié)溫度下碳化硅陶瓷斷口的微觀(guān)形貌。

從圖1可以看出，隨著燒結(jié)溫度的升高，碳化硅燒結(jié)體的密度隨著燒結(jié)溫度的升高而迅速增加，在2 150 ℃附近燒結(jié)體密度達(dá)到最高，達(dá)到3.16 g/cm3，相對(duì)密度超過(guò)98%（理論密度3.21 g/cm3）。然后隨著溫度的升高，密度反而趨于下降。說(shuō)明燒結(jié)溫度過(guò)高和過(guò)低，都影響燒結(jié)體的致密程度。燒結(jié)體的致密程度直接影響其抗彎強(qiáng)度、硬度等力學(xué)性能，對(duì)照?qǐng)D1與圖2、3可以看到，碳化硅陶瓷的抗彎強(qiáng)度與硬度隨燒結(jié)溫度的變化關(guān)系與密度-燒結(jié)溫度曲線(xiàn)的趨勢(shì)一致。當(dāng)燒結(jié)溫度未達(dá)到最佳燒結(jié)溫度時(shí)，燒結(jié)體的密度、強(qiáng)度、硬度數(shù)值均比較低。隨著燒結(jié)溫度的逐步升高，所有指標(biāo)均有所上升，并在2 150 ℃附近達(dá)到最大值。當(dāng)超過(guò)2 150 ℃后，隨著燒結(jié)溫度的繼續(xù)升高，各項(xiàng)性能指標(biāo)反而有所下降。碳化硅陶瓷的強(qiáng)度主要取決于碳化硅晶粒的尺寸、形貌和分布。當(dāng)溫度升高時(shí)，斷裂機(jī)理由脆性斷裂為主逐漸向亞臨界裂紋擴(kuò)展轉(zhuǎn)變。在裂紋沿晶晃擴(kuò)展的沿品斷裂模式下，亞臨界裂紋擴(kuò)展的阻礙作用源于晶界相，由晶界相的性能決定。當(dāng)溫度進(jìn)一步升高到晶界相的軟化點(diǎn)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)晶界滑移和空位的形成（蠕變裂紋生長(zhǎng)）。對(duì)所有碳化硅陶瓷而言，強(qiáng)度對(duì)溫度的依賴(lài)關(guān)系都是相似的，所不同的只是亞臨界裂紋擴(kuò)展和蠕變裂紋生長(zhǎng)的起始溫度不同，而這是由晶界相的化學(xué)特性所決定的。

采用掃描電鏡進(jìn)行斷口微觀(guān)形貌觀(guān)察可發(fā)現(xiàn)，燒結(jié)溫度為2 050 ℃時(shí)斷面的晶粒細(xì)小，但氣孔較多，在2 100 ℃時(shí)斷面氣孔最少，達(dá)到最大致密化；2 150 ℃時(shí)氣孔較少，但晶粒開(kāi)始長(zhǎng)大，2 200 ℃燒結(jié)時(shí)，氣孔增多，晶粒開(kāi)始粗大化。根據(jù)燒結(jié)初期眾多的雙球模型及燒結(jié)中期的正十四面體的顯微結(jié)構(gòu)模型，較小的晶粒尺寸認(rèn)為有助于燒結(jié)的致密化，晶粒生長(zhǎng)不利于燒結(jié)體的致密化。因此燒結(jié)溫度的控制至關(guān)重要，溫度過(guò)低，顆粒間的反應(yīng)的動(dòng)力不足，收縮和反應(yīng)動(dòng)力不足，氣孔不易及時(shí)排除，從而氣孔較多，致密度較低；溫度過(guò)高，燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力加大，晶粒收縮動(dòng)力不一致，個(gè)別晶粒開(kāi)始異常長(zhǎng)大，氣孔從而增加，所以溫度控制在2 100 ℃最為合適。

3 結(jié)論

（1）碳化硅陶瓷的密度與燒結(jié)溫度緊密相關(guān)。當(dāng)燒結(jié)溫度為2 100 ℃時(shí)，碳化硅陶瓷密度達(dá)到3.16 g/cm3，相對(duì)密度超過(guò)98%。（2）碳化硅陶瓷的抗彎強(qiáng)度和維氏硬度與燒結(jié)溫度的關(guān)系曲線(xiàn)和密度變化趨勢(shì)一致，當(dāng)達(dá)到最佳燒結(jié)溫度2 100 ℃，三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度達(dá)到500 MPa，維氏硬度為2 750，具有較好的力學(xué)性能。（3）斷口形貌SEM照片顯示出，燒結(jié)溫度偏低時(shí)，碳化硅陶瓷的孔隙較多，密度較低；燒結(jié)溫度過(guò)高，晶粒異常長(zhǎng)大導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疏松，密度下降，力學(xué)性能降低。對(duì)于密度以及抗彎強(qiáng)度和硬度數(shù)值，最佳燒結(jié)溫度均為 2 100 ℃。

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