【摘 要】
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碳化硅（SiC）陶瓷是一种非常重要的高温结构材料,因其具有高强度、高硬度以及优异的抗氧化性、耐腐蚀性、抗热震性等性能,广泛应用于汽车工业、机械密封、石油化工、航空航天、电子信息等领域,还被认为是未来聚变反应堆的结构组件。尽管碳化硅陶瓷有着非常广泛的应用,但由于碳化硅是典型的强共价键化合物,Si-C键的共价特性和低自扩散性导致其烧结致密化困难。为了获得致密的SiC陶瓷,在其制备过程中通常需要加入烧结
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碳化硅（SiC）陶瓷是一种非常重要的高温结构材料,因其具有高强度、高硬度以及优异的抗氧化性、耐腐蚀性、抗热震性等性能,广泛应用于汽车工业、机械密封、石油化工、航空航天、电子信息等领域,还被认为是未来聚变反应堆的结构组件。尽管碳化硅陶瓷有着非常广泛的应用,但由于碳化硅是典型的强共价键化合物,Si-C键的共价特性和低自扩散性导致其烧结致密化困难。为了获得致密的SiC陶瓷,在其制备过程中通常需要加入烧结助剂来降低烧结温度,促进烧结,实现致密化,因此烧结助剂的选择在SiC陶瓷制备中发挥着至关重要的作用。本文首先研究了氟元素对SiC的氧化行为的影响。将不同含量的Na F添加到SiC粉中,然后在500～800℃的空气中氧化30分钟。通过SEM,TEM,XRD,XPS和TG表征证实了SiC粉末发生了剧烈的氧化。XRD图谱和Raman光谱证实了氧化过程中游离碳的形成。最终结果表明,Na F能极大地促进SiC的氧化,起主要作用的元素F能够使Si-C键断裂,活化SiC的晶格。之后进行氟化物体系烧结助剂的筛选,以三种碱金属氟化物（Na F、Ca F2、AlF3）与H3BO3的结合作为组合烧结助剂,采用放电等离子烧结工艺在1850℃下烧结,发现添加AlF3的烧结样品与另外两种碱金属氟化物样品相比性能要优异许多,说明了AlF3作为SiC陶瓷烧结助剂的有效性。为进一步降低烧结温度,探索与AlF3相配合的助剂体系,以Al粉与其它几种不同的助剂（Y2O3,H3BO3,Al2O3,AlF3）相结合作为烧结助剂,采用放电等离子烧结工艺分别在1600℃、1700℃和1850℃三个温度点下烧结,发现Al粉能够促进SiC陶瓷的烧结致密化,Al是一种有效的SiC烧结助剂。最后本文以Al粉与AlF3作为组合助剂,改变两者的质量比,研究的是两种助剂的不同配比对SiC陶瓷烧结与性能的影响。结果发现随着AlF3添加量的增加,硬度值整体上呈现逐渐升高的趋势;断裂韧性在两种助剂总含量为10.0 wt%时出现了两个极值点;在1700℃,助剂含量为10.0 wt%的条件下可获得致密度为99.4%的碳化硅陶瓷,其硬度为22.0 GPa,断裂韧性为7.5 MPa·m1/2,具有最佳的综合性能。在实验结果的基础上,表明AlF3能够活化SiC晶格,Al粉的加入能生成Al4SiC4化合物促进烧结并提升断裂韧性。
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