热直流等离子体制备Si-SiC纳米复合添加剂助力碳化硅火花等离子烧结致密化

摘要

通过非移弧热直流等离子体从固态SiC粉末合成Si包覆SiC(Si-SiC)纳米复合颗粒。这些颗粒作为烧结添加剂用于微米级SiC的火花等离子烧结(SPS)。最佳10 wt% Si-SiC负载量结合0.2 wt%活性炭，在1800°C下1分钟保温获得97.1%相对密度和31.4 GPa维氏硬度。本工作展示了一种利用纳米尺寸效应和放热硅-碳反应结合的低温高密度SiC路线。

背景

碳化硅陶瓷因其卓越的高温硬度、耐磨性、低热膨胀和耐腐蚀性，在涡轮叶片、柴油发动机、航空航天和核反应堆中不可或缺。然而，共价Si-C键和缓慢自扩散阻碍无添加剂致密化。传统路线——固相烧结SiC(SSS-SiC)和液相烧结SiC(LPS-SiC)——需1850°C以上温度且常引入降低高温性能的第二相。反应烧结SiC(RB-SiC)虽降低烧结温度但密度不佳。因此，在保持力学完整性前提下降低烧结温度是关键研究挑战。

纳米SiC作为有前景途径浮现；其高比表面积加速烧结并可提升最终性能。我们因此开发非移弧热直流等离子体在SiC表面包覆薄Si层制备Si-SiC复合纳米颗粒，作为高效、最少添加量的致密化剂。

实验

微米级SiC合成

Si(平均25 µm, 99.9%)和活性炭(32 µm)按1:1.5摩尔比混合球磨15小时。混合物在Ar(1 L min⁻¹)中1300°C煅烧2小时。所得β-SiC粉末研磨供后续使用。

等离子体制备Si-SiC纳米颗粒

使用非移弧热等离子体反应器，微米SiC粉末以1 g min⁻¹经2 mm管道送入。系统在200 Torr、30 L min⁻¹ Ar、3 L min⁻¹ H₂、300 A(45 V)运行。纳米颗粒从反应器壁收集；收率80-85%。

火花等离子烧结

微米SiC与Si-SiC纳米颗粒混合物(5-15 wt%)在20 mm石墨模中80 MPa压制。SPS在真空(10⁻² Torr)下以600°C min⁻¹升温速率进行，目标1600-1800°C。1800°C保温0-1分钟。部分样品添加0.1-0.2 wt%活性炭促进反应结合。密度用阿基米德法测定；维氏硬度用10 kgf压头测试。

表征

XRD(Cu-Kα)评估相组成；SEM(JSM-5900)和TEM(JEM-2010)观察形貌。烧结收缩位移记录。

结果与讨论

XRD确认微米和纳米样品均为β-SiC；后者因部分分解和氧化含微量Si和SiO₂。SEM显示2-5 µm微米颗粒和20-70 nm Si-SiC纳米颗粒(比表面积69 m² g⁻¹)。

提高烧结温度改善相对密度和硬度；1800°C下1分钟保温，90:10(SiC:Si-SiC)混合物达88.2%密度和21.2 GPa硬度。添加0.2 wt%活性炭进一步提升至97.1%密度和31.4 GPa硬度，表明纳米颗粒游离硅与碳间有效反应结合。

显微图显示1800°C下晶粒生长至2-4 µm，在放热硅-碳反应下致密化加速。收缩数据证实致密化增强，尤含活性炭样品。

机制上，Si-SiC纳米颗粒双重作用：高比表面积促进快速扩散(纳米尺寸效应)，释放硅与添加碳放热反应，局部升温加速烧结(反应结合效应)。

结论

我们证明热直流等离子体制备的Si包覆SiC纳米颗粒作为SiC陶瓷高效、低添加量致密化剂。10 wt%负载量结合0.2 wt%活性炭在1800°C获得97.1%相对密度和31.4 GPa维氏硬度，超越常规方法。纳米尺寸扩散增强与硅-碳反应结合的双重贡献为低温高性能SiC提供可行路线。