碳化硅晶须与SiCw/Al2O3陶瓷制备简述

碳化硅晶须与SiCw/Al2O3陶瓷制备简述

冯传亮

重庆交通大学 材料科学与工程  重庆 400074

摘 要：氧化铝陶瓷因其优异性能被广泛应用，而脆性严重限制其使用场景。碳化硅晶须有着与氧化铝相似的热膨胀系数，且与氧化铝物理、化学性质相匹配，这使SiCw增强Al2O3陶瓷成为可能，本文将简述SiCw/Al2O3陶瓷制备。

关键词：氧化铝陶瓷；增强补韧；碳化硅晶须；复合材料

1引言

晶须是由高纯度单晶生长而成的短纤维，晶须一般直径＜0.1μm、长径比大，与常规材料不同，在晶须上的缺陷很少近似于完整晶体，因此晶须有着高强度、高弹性模量的特性，是理想的复合材料增强体。

氧化铝陶瓷材料具有耐腐蚀、耐高温、化学稳定性优异和力学性良好的特点，但是陶瓷的脆性限制了其使用场景，碳化硅晶须增韧可在一定程度上弥补氧化铝陶瓷的不足。

2碳化硅晶须简介

SiC晶须是微纳米级尺度范围内沿着{111}晶面簇长出的极端各向异性高度取向性的短纤维状单晶材料。SiC晶须具有优异的耐高温性能，密度仅为工业纯铁40%左右，其化学稳定性良好，力学性能非常优秀，被称为“晶须之王”[1]。

2.1碳化硅晶须性能参数

碳化硅晶须的性能跟其制造工艺密切相关，SiCw晶体结构与金刚石相似，这解释了碳化硅晶须莫氏硬度高达9.5，是人工合成仅次于金刚石第二硬的物质。SiCw的晶形可分为α-SiCw和β-SiCw两种，α型是六方和菱方结构，β型是面心立方结构，因为晶体不同，两者性能之间存在一定差异，详细差异见文献[2]所示。

3碳化硅晶须制备

制备SiCw的方法有很多，根据制备碳化硅晶须的环境不同，分为气相法、固相法、液相法这三类。

3.1固相法

3.1.1碳热还原法

碳热还原法是最早用于制备SiC晶须，碳热还原法是指反应温度达到1500℃以上时，SiO2从石英颗粒的自由表面开始蒸发和分解，SiO2和SiO蒸气扩散并吸附在碳颗粒上，固体碳与表面吸附的SiO2之间发生还原反应，析出SiC晶须。按原料不同，碳热还原法可分为稻壳体系SiO2-C体系。

李胜杰[3]用废弃稻草为原料，以不同催化剂种类和浓度、反应氛围、反应温度和外加硅源为变量，研究变量对生成碳化硅晶须质量的影响，他认为SiC晶须以VLS机理，即气-液-固机制生长。

白朔等[4]人用SiO2粉末和活性炭粉作为原料，加入NaF粉作为助溶剂，在Ar气氛围下1400℃高温烧结10min-4h。用此方法，白朔等人发现随着保温时间的增长有哑铃形碳化硅晶须生成，他们认为碳化硅晶须生长首先以VS机制，即气-固二维成核机制，后由于微小扰动或杂质导致堆垛层错、微孪晶面等缺陷生成。在碳化硅晶须生长的同时，反应空间内的原料沉积在缺陷上，随着反应时间的增长，缺陷处晶体不断生长，最终形成了哑铃状晶须。

3.1.2激光照射原位生长法

王利庭[5]用不同激光源作为加热能量，照射特制直径为40mm、厚度为3mm的SiC块状样品，在样品表面生长出SiC晶须。该方法的控制因素有激光器工作模式、工作电流、照射波长。此方法无外来杂质引入，也无新物质产生保障了纳米晶须的纯度。

3.2液相法

3.1.1溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法是将原料分散在特别溶剂中，经过水解反应生成活性单体，活性单体进行聚合，开始成为溶胶，随着不断聚合溶胶逐渐成为具有一定空间结构的凝胶，经过干燥和热处理制备出所需要材料。溶胶-凝胶法具有合成温度低、产品大小均匀、纯度高等优点，是SiC粉体合成中最常见的方法。

3.1.2聚合物热分解法

聚合物热分解法通常有两类：一类是加热凝胶聚硅氧烷，使之分解为SiO2单体，再用C粉还原制得SiC粉末；另一类是先合成聚碳硅烷先驱体，再加热先驱体，分解得到SiC粉末。

谢凯[6]通过采用高温气相裂解低分子聚碳硅烷，制备出SiC超细微粉。

3.3气相法

气相法使用最多的是化学气相沉积法，也称为CVD法，其原理是把含有构成目标物的一种或几种化合物或单质气体供给基片，利用加热、等离子体、紫外光乃至激光等作为激发源，借助气相作用或在基片表面的热分解或化学合成生成目标产物。

严东泉[7]利用低压化学气相沉积系统制备了SiC晶须。根据实验结果，他认为SiC晶须生长离不开催化剂，且催化剂尺度直接影响晶须大小；SiC晶须是以VLS机制生长，他引用VLS生长机制提出者Wagner在1964年解释单晶Si晶须生长的观点：（1）Si晶须中没有发现轴向螺位错的存在；（2）杂质是晶须生长所必须的；（3）晶须生长过程中发现其末端具有小球结构。

4SiCw增韧氧化铝陶瓷的制备

碳化硅晶须增韧陶瓷制备工艺流程如下：

基体、增强体等按配合比配料→研磨加工→成型→烧结→成品。

4.1固相烧结法

固相反应一般指只有固体参与的烧结过程。固相烧结法简单快捷是最常用的烧结方法，一般固相烧结是在马弗炉或管式炉中进行，可在保护气氛下烧结陶瓷，加热源为电阻丝，控温精确稳定。

4.2微波烧结法

微波是波长在1mm-1m，频率范围为300MHz-300GHz的电磁波。微波烧结是利用微波具有的特殊波段与材料的基本细微结构耦合而产生热量，材料的介质损耗使其材料整体加热至烧结温度而实现致密化的方法。

低温下氧化铝不能与微波发生很好的耦合，但加热到一定温度后，氧化铝对微波吸收良好。SiC对微波吸收表现与Al2O3相反，在低温下是SiC良好的微波吸收体，在高温下则与微波作用减弱[8]。

4.3SiCw/Al2O3复合陶瓷制备关键点

烧结的本质是粉末材料的密实过程，致密度是评价烧结质量的关键指标。对复合材料而言，SiCw/Al2O3界面控制是制备高性能氧化铝陶瓷的关键。SiCw与Al2O3之间的润湿性将直接决定复合相过渡层烧结质量，界面控制是复合材料烧结的关键点。

5结语

制备使用效益良好的SiCw/Al2O3复合材料是一个系统性工程。它对原料生产、配合比设计、烧结工艺有较高的要求。

SiCw制备工艺将直接影响增强体品质，对SiCw晶须质量的评价标准有两点：

（1）单晶多，弯晶以及复晶少，缺陷少；

（2）直晶率高，长径比均匀，杂质少。

SiCw在基体材料中均匀分散，SiCw掺量、助熔剂和烧结工艺选择是增韧氧化铝陶瓷性能的关键因素。在今天的研究中，这些关键参数的选择应对复合陶瓷致密度和基体与增强体界面控制产生有益影响。

6参考文献

[1]贾碧.低磨损氧化铝陶瓷基复合材料制备与结构性能调控研究[D].重庆大学,2020.

[2]王阳阳,贾晨,贾先,杨建锋.碳化硅晶须增韧复合材料的研究现状[J].兵器材料科学与工程,2019,42(04):142-146.

[3]李胜杰.稻草制备碳化硅晶须的工艺研究[D].长春工业大学,2013.

[4]白朔,成会明,苏革,魏永良,沈祖洪,周本濂.哑铃形碳化硅晶须生长的机理[J].材料研究学报,2002(02):136-140.

[5]王利庭.激光作用下SiC晶须生长条件的研究[D].南京航空航天大学,2008.

[6]谢凯,张长瑞,陈朝辉,周安郴,盘毅.低分子聚碳硅烷气相热裂解制备SiC超微粉的研究[J].无机材料学报,1997(03):291-296.

[7]严东泉.CVD法生长SiC晶须研究[D].电子科技大学,2006.

[8]张昕.微波烧结Al2O3/SiC复合材料研究[D].郑州大学,2013.