添加剂对烧结碳化硅的影响

无压烧结碳化硅被认为是最有前途的烧结碳化硅，通过无压烧结工艺可以制备形状复杂、尺寸较大的碳化硅陶瓷。根据烧结机理的不同，这种烧结碳化硅又可分为固相烧结和液相烧结。通过添加 B 和 C，可在常压下烧结含有微量 SiO 的 β-SiC。掺入适量的 B 后，B 在烧结过程中位于碳化硅晶界上，并与碳化硅形成部分固溶体，从而降低了碳化硅的晶界能。掺入适量的游离 C 有利于固相烧结，因为 SiC 表面通常会氧化生成少量的 SiO，加入适量的 C 有助于使 SiC 表面的 SiO 膜还原去除，从而提高表面能。但对液相烧结会产生负面影响，因为 C 会与氧化物添加剂反应生成气体，在陶瓷烧结体中形成大量开口，影响致密化过程。在碳化硅的烧结过程中，原料的纯度、细度和相组成非常重要。S.Proehazka 在超细 β-SiC 粉末（含氧量小于 2%）中同时加入适量的 B 和 C，在 2020°C 常压下烧结出了密度高于 98% 的烧结碳化硅。然而，SiC-B-C体系属于固相烧结范畴，需要较高的烧结温度，且断裂韧性低，断裂方式为典型的穿晶断裂，晶粒粗大，均匀性差。国外对 SiC 的研究重点主要集中在液相烧结，即加入一定数量的烧结添加剂，在较低温度下实现 SiC 的致密化。相对于固相烧结，SiC 的液相烧结不仅降低了烧结温度，而且改善了微观结构，因此烧结体的性能比固相烧结体有所提高。
M.Omori 等人使用稀土氧化物与氧化铝或硼化物混合烧结出致密的碳化硅。另一方面，Suzuki 只用氧化铝作为添加剂，在 2000°C 左右的温度下烧结了碳化硅。A. Mulla 等人使用 AlO 和 YO 作为添加剂，在 1850-1950°C 下烧结了 0.5 μm β-SiC（颗粒表面有少量 SiO），得到的 SiC 陶瓷相对密度大于理论密度的 95%，颗粒细小，平均尺寸为 1.5 μm。
研究发现，碳化硅陶瓷的微观结构具有粗晶粒和棒状结构，具有良好的断裂韧性。棒状晶粒增加了断裂韧性，同时降低了碳化硅陶瓷的强度。为了在降低烧结温度的同时获得更好的强度和韧性，人们做了很多尝试，通过使用不同的添加剂调整玻璃相组成来改善这种烧结碳化硅的性能。在烧结过程中，晶界液相的引入和独特的界面结构导致了界面结构的弱化，材料的断裂转变为完全的沿晶断裂模式，从而使材料的强度和韧性显著提高。然而，考虑到使用 AlO 添加剂会生成低熔点、高挥发性的玻璃相，在较高温度下会发生强烈挥发，导致材料失重，并对材料的致密性产生不利影响，因此应适当提高添加剂中 AlO 的质量分数。