液相烧结SiC陶瓷

液相烧结 SiC陶瓷* 武安华 曹文斌 李江涛 葛昌纯 (北京科技大学特种陶瓷粉末冶金研究室,北京 100083) 摘 要 采用 Al2O3、Y2O3 为助烧剂,热压烧结获得了致密的A-SiC和B-SiC陶瓷, 研究了起始粉末 的性能对烧结体的物相组成和显微结构的影响。实验结果表明, Al2O3、Y2O3 原位形成了 YAG, 材料以液 相烧结机制致密化, 并通过溶解和再析出机制,促进晶体生长。物相分析表明, B-SiC 陶瓷粉末在烧结过 程中发生了ByA的相变。显微结构观察显示,B-SiC 陶瓷中生成了长柱状晶粒。 关键词 液相烧结 SiC 显微结构 * 863新材料领域专家委员会资助项目,资助号: 863-715-011-0230 1 引言 碳化硅陶瓷具有耐高温、抗热震、耐腐蚀、抗 冲刷、耐磨及良好的热传导性能等优点,一直是高 温结构陶瓷的重要候选材料。70 年代中期, S1Prochazka[ 1]以少量 B、C为助烧剂,无压烧结 SiC 获得成功, 并研究了 SiC 的烧结机理。在此后的 20余年中, 人们采用各种各样的助烧剂用于 SiC 的烧结。近几年来, Al2O3 和 Y2O3 作为 SiC 的助 烧剂得到世界各国学者的重视。传统的以 B、C 为助烧剂的 SiC固相烧结, 烧结温度> 2100 e ,材 料力学性能一般(抗弯强度 300~ 450MPa, 断裂韧 性215~ 4MPa#m1/ 2)。而 SiC 的液相烧结可以在 较低温度完成( 1850~ 2000 e ) [ 2]。和固相烧结的 SiC陶瓷相比,该材料具有较高的力学性能,所以 SiC的液相烧结越来越引起世界各国学者的关 注。 SiC起始粉末的性能对 SiC 陶瓷的烧结行为 有重大影响。本文分别选择 A-SiC、B-SiC 为起始 粉末, 采用 Al2O3, Y2O3 为助烧剂, 通过热压烧结 获得 SiC陶瓷, 并研究起始粉末对 SiC 烧结体物 相组成和显微结构的影响。 2 实验 实验所用 A-SiC、B-SiC、Al2O3、Y2O3 粉末为市 售商业粉末。A-SiC颗粒尺寸为 2~ 5Lm, B-SiC为 0105~ 1Lm。Al2O3 纯度 > 98%, Y2O3 纯度为 9919%。上述粉体按一定比例配料后, 以乙醇为 介质, 采用湿法球磨混合均匀, 经烘干过筛处理 后,装入 Á 40mm 的石墨模具, 在流动的氩气气氛 下,热压烧结而成。烧结温度为 1950 e , 压力为 25MPa。 采用阿基米德法测定试样密度, 利用 X-ray 衍射法进行物相分析,采用SEM观察显微结构。 3 结果与讨论 311 烧结体相对密度 样品编号、组成及相对密度如表 1所示。根 据混合物法则计算本实验条件下 SiC陶瓷的理论 密度为3131g/ cm3, 其中SiC和YAG的密度分别按 3121g/ cm3、41553g/ cm3 计算。 由表 1可以看出,在 1950 e , 25MPa的烧结条 件下, SiC 陶瓷基本致密化, 但样品 A1的相对密 度较低。 表 1 SiC烧结体的相对密度 样品编号 样品组成(质量分数, % ) A-SiC B-SiC Al2O3 Y 2O3 相对密度 ( % ) A1 90 0 6 4 9615 A2 0 90 6 4 9912 55 硅酸盐通报 2001年第 2期 研究工作快报 312 物相分析 据文献报导,已经发现 SiC的多型体有 50余 种,常见的 4种多型体为 3C、4H、6H 和 15R,不同 多型体组成的 SiC 陶瓷具有不同的物理化学性 能,所以烧结过程的晶型转变一直是 SiC烧结的 研究热点。可选择 d= 01266~ 01217nm 范围的衍 射峰确定多型体类型, 对应 2H= 25b~ 45b的衍射 角度。 ( a) ( b) ( c) ( d) (a)A-SiC粉末; ( b)B-SiC粉末; ( c)A-SiC陶瓷; (d)B-SiC陶瓷 图 1 A-SiC粉末及陶瓷和B-SiC粉末及陶瓷的 X-射线衍射图谱 图 1 分别为 A-SiC、B-SiC 的粉末及烧结体的 X-ray衍射图谱,从图 1中可以看出, A-SiC 粉末的 晶型为6H, B-SiC粉末的晶型为 3C。样品A1烧结 后未发生相变, 材料仍以 A相的 6H 形式存在;而 样品A2烧结后以A相和 B相共存, 部分发生了B yA相变。从特征峰可以判定相变后的A相以4H 形式存在。从图 2 衍射图谱中除发现主晶相 SiC 外,还存在次晶相 YAG, 表面助烧剂 Al2O3、Y2O3 在高温时形成低共溶液相 YAG。 313 显微结构 将抛光后的样品置于沸腾的 Murakami溶液 中进行化学腐蚀, 用扫描电镜观察其显微结构和 相变后的晶粒生长情况。 图2是A-SiC粉末及陶瓷和B-SiC粉末及烧结 后陶瓷的形貌。样品 A1的晶粒呈等轴状, 如图 2 ( c)所示。烧结体中晶粒大小不均匀与其原始粉 末中粒度分布有关, 如图 2( a)所示, 结合物相鉴 定可知, B-SiC在烧结过程中发生了 ByA的相变, 晶粒形貌由原始粉末中的等轴状颗粒(图 2( b) ) 生长成长柱状晶粒, 如图 2( d)所示。这种通过 B yA相变来控制显微结构和晶粒形貌的方法 John- son[ 3]曾在 SiC 的固相烧结中使用过。Johnson 的 实验结果显示, 在B-SiC的固相烧结过程中,引入 A-SiC晶种后, 致密化非常困难, 烧结样品为多孔 结构。而在本实验条件下,样品能达到完全致密 化,相对密度达 9912%。这种长柱状晶粒的生长 国际上曾有报道[ 2, 4] , 但这些样品是在 1800~ 1900 e 的温度下, 热压烧结 1 小时, 再在 1900~ 2000 e 保温退火处理 4~ 8 小时才得到的。而本 实验条件为1950 e 、25MPa、热压烧结 1小时。长 56 硅酸盐通报 2001年第 2期 研究工作快报 ( a)A-SiC粉末; ( b)B-SiC粉末; ( c)A-SiC陶瓷; (d)B-SiC陶瓷 图 2 A- SiC粉末及陶瓷和B-SiC粉末及陶瓷的形貌 柱状晶粒的生成,提高了晶粒的长径比,可以通过 晶粒桥联增韧[ 5]。有关微观结构与材料增韧的研 究工作将另行报道。 314 SiC的烧结机制初探 由图 2( c)可以看出,烧结体颗粒大于粉末颗 粒。经能谱分析, A1样品的晶界相和烧结体颗粒 的边缘中存在Y、A1元素, 在颗粒的中心部位,却 无Y、A1元素。根据X-ray 衍射图谱,烧结体中有 Y3Al5O12生成。即: YAG分布在晶粒之间,主要以 晶界相存在。 根据Al2O3-Y2O3 二元相图, 在其上存在 3个 低共熔化合物, 其中 YAG( Y3Al5O12, 熔点 1760 e ) 熔点最低。YAG相的形成,标志着材料以液相烧 结机制致密化, 即温度升至 1760 e 时, Al2O3、Y2O3 开始形成低共溶液相(YAG) ,导致颗粒发生重排, 小颗粒溶解,并通过溶解与再析出,沉淀到大颗粒 边缘,促进晶体生长。 4 结论 (1)通过热压烧结,在 1950 e 、25MPa、保温保 压1小时,制备得到了基本致密化的B-SiC陶瓷和 A-SiC陶瓷。 ( 2)实验结果证实, 该 SiC 陶瓷为液相烧结, 并通过溶解与再析出机制致密化。 (3)在该实验条件下, A-SiC 未发生相变。而 B-SiC发生明显的ByA相变, 相变的形式为 3C y 4H,并获得了长柱状晶粒。 57 硅酸盐通报 2001年第 2期 研究工作快报 参考文献 1 Prochazka S. Special Ceramics. Popper P. 19751 171~ 182 2 Kim Y W, Mitomo M, Emoto H, et al. J. Am. Ceram. Soc. , 1998, 81( 12) : 3136~ 3140 3 Johnson C A, Prochazka S, In Fulrath R M, et al. Ceramics Microstuctures. 76. 1977. 366~ 78 4 Kim J Y, Kim Y W, Mitomo M, etl al J. Am. Ceram. Soc. , 1998, 82( 2) : 3136~ 3140 5 Padture N P. J. Am. Ceram. Soc. , 1994, 77( 2) : 519~ 23 Microstructure Study on Liquid Phase Sintered SiC Wu Anhua Cao Wenbin Li Jiangtao Ge Changchun ( Labaratory of Special Ceramics and P/ M, Beijing University of Science and Technology, Beijing 100083) Abstract A-SiC ceramics and B-SiC ceramics were obtained by ho-t pressing through using Al2O3 and Y2O3 as sintering additives. The effects of starting powder on the phase composition and microstructure of the sintered SiC were investigated. The materials were densified based on liquid phase sintering mechanism, in which YAG was formed in situ by the reaction of Al2O3 and Y2O3. The relatively large grains showed that the grain grew through solu- tion-reprecipitation. The phase analysis revealed that the phase transformation of ByA in B-SiC ceramics occurred during sintering.The morphology indicated that the rod- like grains are formed in the B-SiC ceramics. Keywords liquid phase sintering SiC microstructure 信息 关于组团参加第十二届意大利 国际玻璃展览会的通知 第十二届意大利国际玻璃展览会(VITRUM 2001)将于 2001年 10月 3~ 6日在意大利米兰的 Fairgrounds举行。展出范围包括生产平板玻璃、弯玻璃和玻璃瓶罐的设备和工艺、深加工玻璃设 备和配件等。该展览会已成功地举办了 11届, 目前是世界第二大玻璃展览会, 并已成为世界上 最具广泛影响的玻璃专业展览会之一。 为促进我国玻璃工业的发展,加强国际交流与合作, 我会拟组织/赴第十二届意大利玻璃展 览会参展、参观团0,参加本届展览会,为期 12天。除参加展出和参观展览会外,还将组织参观、 考察意大利的有关玻璃企业。 展览会名称:意大利第十二届国际玻璃展览会 (VITRUM 2001) 展览会时间: 2001年 10月 3~ 6日 展览会地点:意大利米兰 Fairgrounds展览馆 展出范围:生产平板玻璃、玻璃瓶罐、弯玻璃的设备和工艺、玻璃深加工设备和配件等。 联系人:刘 捷, 刘玉霞 单 位:北京市海淀区三里河路 11号 电 话: ( 010) 68335803, 68311144转 3271 传 真: ( 010) 68342016 邮 编: 100831 58 硅酸盐通报 2001年第 2期 研究工作快报