采用硼（B）和碳（C）作為燒結助劑，通過無壓燒結工藝制備碳化硅（SiC）陶瓷，系統探討了燒結溫度對材料致密性及力學性能的影響機制。在2190–2220℃的溫度區間內，成功制備出高致密、高性能的碳化硅陶瓷，其相對密度超過96%，抗彎強度接近400 MPa，維氏硬度達到23 GPa以上。微觀結構分析表明，該溫度區間可實現晶粒適度生長與孔隙有效排出，從而顯著提升材料的力學行為。密度與抗彎強度呈近似線性正相關，表明致密化是影響碳化硅陶瓷性能的關鍵因素。

　　1  引言

　　碳化硅（SiC）作為一種強共價鍵化合物，因具備高熔點（約2700°C）、好的熱穩定性、高硬度、好的耐磨性與耐腐蝕性，以及較低的熱膨脹系數，被廣泛視作高溫結構材料的理想候選。首次采用B和C作為燒結助劑實現無壓致密化燒結以來，無壓燒結碳化硅陶瓷已在工業領域取得廣泛應用，如機械密封環、耐磨部件、軸承、防彈裝甲、熱交換器及航天器噴嘴等。

　　在無壓燒結過程中，燒結溫度是影響顯微結構與性能的核心參數。溫度不足將導致孔隙殘留、致密性差；溫度過高則易引發晶粒異常長大，出現玻璃相或二次孔洞，反而降低材料的力學性能。因此，明確燒結溫度窗口，對實際生產具有重要指導意義。

　　2  試驗方法

　　2.1 原料特性

　　實驗采用固相燒結碳化硅預混造粒粉（純度 > 98%），中位粒徑D50 < 0.7 μm，比表面積 > 12 m2/g。粉體組成為SiC 98 wt%、C 1.5 wt%、B 0.5 wt%。粉體流動性好，20 g粉體可在15 s內通過標準流速儀，松裝密度高于0.75 g/cm3。

　　2.2 燒結與表征

　　采用SYL900-3型真空燒結爐，在氬氣氣氛下進行無壓燒結。燒結制度包括脫粘階段（600–800°C/1 h）、燒結階段（不同最高溫度，保溫0.5 h）及自然冷卻。

　　采用阿基米德排水法測量體密度；三點彎曲法（GB/T 6569-2006）測試抗彎強度；維氏壓痕法測量硬度；利用XRD分析相組成，SEM觀察斷口形貌。

　　3  結果與討論

　　3.1 燒結溫度對致密性與力學性能的影響

　　隨著燒結溫度升高，碳化陶瓷的密度、抗彎強度和硬度均呈現先升后降的趨勢，在2190°C時，相對密度超過96%，2220°C時達到峰值98%，對應抗彎強度399.3MPa，維氏硬度23.8 GPa。溫度超過2220°C后，所有性能指標均出現下降，2250°C時密度降至95%以下。

　　這一現象可通過晶粒生長與孔隙演變機制解釋：

　　低溫區（<2160℃）：傳質不充分，孔隙未能完全排除，結構疏松；

　　中間區間（2190–2220℃）：固態擴散充分，晶粒均勻生長，孔隙顯著減少，致密性高（圖4b–c）；

　　高溫區（>2220℃）：晶粒異常長大，部分區域形成閉孔或晶界玻璃相，甚至發生蒸發-凝聚機制導致結構粗化。

　　3.2 物相與微觀結構分析

　　XRD圖譜顯示燒結體與原料譜線高度一致，表明燒結過程中未發生相變，仍以α-SiC為主。但在2250°C時，某些衍射峰強度明顯下降，可能與晶粒長大導致衍射條件變化或微應變有關。

　　SEM圖像清晰反映出斷口形貌的溫度依賴性：低溫樣品呈現多孔和細晶結構；溫度樣品顯示均勻致密的穿晶斷裂特征；高溫樣品則出現明顯晶粒長大和晶界弱化。

　　3.3 密度–性能關系

　　抗彎強度與密度之間呈現近似線性關系，說明在該燒結體系下，致密化是決定力學性能的主導因素。維氏硬度雖也隨密度提高而上升，但因硬度對微觀缺陷（如孔隙、微裂紋）更為敏感，其變化幅度略小于強度。

　　4  結論

　　在2160–2220℃范圍內可實現碳化硅陶瓷的高效致密化，燒結溫度為2200℃附近；

　　燒結體相對密度達98%，抗彎強度399.3 MPa，維氏硬度23.8 GPa；

　　性能下降與晶粒異常長大和孔隙再生有關，需嚴格控制燒結上限溫度；

　　無壓燒結結合B/C助劑是一種可適用于產業化生產的可靠工藝，具備好的重復性與穩定性。

　　延伸視角：燒結溫度對碳化硅陶瓷力學性能的深層影響機制

　　燒結不僅是物質遷移與致密化的過程，更伴隨著界面能與晶界動力學的復雜平衡。未來研究可進一步結合原位觀察與晶界工程，探討多元助劑體系、加熱速率、保溫時間等參數對性能的耦合作用，為實現更高性能碳化硅陶瓷的定制化制備提供理論依據。