Effetto degli additivi sul carburo di silicio sinterizzato

Il carburo di silicio sinterizzato senza pressione è considerato il carburo di silicio sinterizzato più promettente e le forme complesse e le grandi dimensioni delle ceramiche di carburo di silicio possono essere preparate con il processo di sinterizzazione senza pressione. A seconda del meccanismo di sinterizzazione, questo tipo di carburo di silicio sinterizzato può essere ulteriormente suddiviso in sinterizzazione in fase solida e sinterizzazione in fase liquida. Il β-SiC contenente tracce di SiO può essere sinterizzato a pressione atmosferica aggiungendo B e C. Questo metodo migliora significativamente la cinetica di sinterizzazione del carburo di silicio. Drogato con una quantità appropriata di B, il B si trova sui bordi dei grani del SiC durante la sinterizzazione e forma parzialmente una soluzione solida con il SiC, riducendo così l'energia dei bordi dei grani del SiC. Il drogaggio di una quantità moderata di C libero è vantaggioso per la sinterizzazione in fase solida, poiché la superficie del SiC è solitamente ossidata con una piccola quantità di generazione di SiO e l'aggiunta di una quantità moderata di C aiuta a ridurre e rimuovere il film di SiO sulla superficie del SiC, aumentando così l'energia superficiale. Tuttavia, la sinterizzazione in fase liquida avrà un effetto negativo, perché il C reagirà con gli additivi ossido per generare gas, la formazione di un gran numero di aperture nel corpo ceramico di sinterizzazione, influenzando il processo di densificazione. La purezza, la finezza e la composizione di fase della materia prima sono molto importanti nel processo di sinterizzazione del carburo di silicio.S.Proehazka ha sinterizzato carburo di silicio con una densità superiore a 98% a 2020°C sotto pressione atmosferica aggiungendo simultaneamente quantità appropriate di B e C a polveri β-SiC ultrafini (contenenti meno di 2% di ossigeno). Tuttavia, il sistema SiC-B-C appartiene alla categoria della sinterizzazione in fase solida, che richiede un'elevata temperatura di sinterizzazione e una bassa tenacità alla frattura; la modalità di frattura è una tipica frattura passante, con grani grossolani e scarsa uniformità. La ricerca estera sul SiC si è concentrata principalmente sulla sinterizzazione in fase liquida, cioè con un certo numero di additivi di sinterizzazione, a una temperatura inferiore per ottenere la densificazione del SiC. La sinterizzazione in fase liquida del SiC non solo riduce la temperatura di sinterizzazione rispetto alla sinterizzazione in fase solida, ma migliora anche la microstruttura e quindi le proprietà del corpo sinterizzato sono migliorate rispetto a quelle del corpo sinterizzato in fase solida.
M. Omori et al. hanno utilizzato ossidi di terre rare mescolati con AlO o boruri per sinterizzare densamente il SiC. Suzuki, invece, ha sinterizzato SiC con solo AlO come additivo a circa 2000°C. A. Mulla et al. hanno sinterizzato 0,5 μm di SiC (con una piccola quantità di SiO sulla superficie delle particelle) con AlO e YO come additivi a 1850-1950°C, ottenendo una densità relativa della ceramica SiC superiore a 95% della densità teorica e grani fini, con una dimensione media di 1,5 μm.
La microstruttura delle ceramiche di carburo di silicio è risultata avere grani grossolani e una struttura a bastoncino con una buona tenacità alla frattura. I grani a bastoncino aumentano la tenacità alla frattura, mentre diminuiscono la resistenza delle ceramiche in carburo di silicio. Al fine di ottenere una migliore resistenza e tenacità abbassando la temperatura di sinterizzazione, sono stati fatti molti tentativi per migliorare le proprietà di questo carburo di silicio sinterizzato regolando la composizione della fase vetrosa con diversi additivi. Durante il processo di sinterizzazione, l'introduzione della fase liquida al confine dei grani e l'esclusiva struttura interfacciale hanno portato all'indebolimento della struttura interfacciale e la frattura del materiale è passata a una modalità di frattura completa lungo il cristallo, con un conseguente aumento significativo della resistenza e della tenacità del materiale. Tuttavia, considerando che l'uso dell'additivo AlO genera una fase vetrosa con basso punto di fusione ed elevata volatilità, che subirà una forte volatilizzazione a temperature più elevate, causando una perdita di peso del materiale e influenzando negativamente la densificazione del materiale, la frazione di massa di AlO nell'additivo dovrebbe essere aumentata in modo appropriato.