压力/无压烧结碳化硅(DSSC),也被称为直接烧结碳化硅,是碳化硅陶瓷行业的变革性技术。DSSC是一种简单的工艺,可以实现与热压烧结碳化硅几乎相同的结果:高纯度、接近理论密度的碳化硅。然而,由于DSSC是一种无压烧结工艺,因此比热压烧结碳化硅更适合大规模生产和复杂形状的制备。
不幸的是,DSSC在高密度下会出现粒长生长过度的现象,而HPSC则不存在这种问题。
固相烧结SSiC-DSSC是第一个被发明的DSSC,时间是1973年。最初,研究的重点是气相热解制备的亚微米β-SiC粉末。然而,更实用的做法是使用磨碎的Acheson工业级α-SiC粉末,这种技术更适合大规模市场。SSiC-DSSC最终演变成了标准的ABC烧结助剂组合:铝、硼和碳,可以达到100%的理论密度,在可负担的商业规模上可以达到93%-98%。SSiC-DSSC最大的问题是粒长生长过度,这是一个无法完全解决的问题,除非采用热压烧结或LPS-DSSC,但这两种方法都会带来其他形式的复杂性。
液相烧结LPS-DSSC是在1982年发明的。LPS-DSSC由于其较低的烧结温度,非常适合获得细粒尺寸,但代价是需要大量烧结助剂,从而导致晶界处存在大量玻璃相杂质。这意味着LPS-DSSC的腐蚀性较差。在LPS-DSSC系统设计良好的情况下,晶界处的结合是SiC-SiC,玻璃相存在于晶界中。在烧结助剂选择不当(润湿性强)的情况下,玻璃相可以渗透到晶界中,破坏SiC-SiC的结合。LPS-DSSC可以容易地达到理论密度,但纯度并不那么好,约为10%,在某些特殊情况下甚至低于10%。尽管如此,LPS-DSSC仍然在不断发展,并一直延续到今天,例如NITE技术就是LPS-DSSC的一种超级形式,在热强度方面表现出色。然而,在腐蚀性方面,所有LPS-DSSC系统都劣于SSiC-DSSC,即使是NITE LPS-DSSC。
重要的一点是,只有使用细颗粒的碳化硅粉末和专用的烧结助剂,碳化硅才能通过无压烧结达到完全致密化。
烧结助剂是必不可少的: 与氧化物陶瓷(例如不需要辅助就能烧结到完全致密化的氧化铝)不同,硅化碳中硅和碳的自我扩散系数太低,无法在可行的烧结温度下达到完全致密化。因此,对于碳化硅,需要使用能够提高扩散速率的烧结助剂。简而言之,使用最佳的烧结助剂添加剂对于DSSC通过无压烧结达到完全致密化至关重要。硼、碳和铝是SSiC-DSSC的标准助剂。Al2O3-Y2O3是LPS-DSSC的标准助剂,尽管许多其他氧化物烧结助剂,尤其是作为共晶混合物,也非常适用于LPS-DSSC。
亚微米粒径: 第二个重要因素是粒径。需要亚微米粉末,表面积至少为10 m2 g-1。通过研磨Acheson磨料级α-SiC可以以经济的方式实现这一点。对于β-SiC,也可以通过气体热解方法实现,但成本相当高。
市场驱动因素: DSSC一直是一种精品陶瓷,用于特种应用,直到20世纪90年代末,碳化硅防弹衣突然成为全球大众市场现象。碳化硅是,并且仍然是,防弹衣的首选材料,其中主要是DSSC。HPSC和RSSC也发挥了利基作用。
多年来,DSSC一直是公共领域的技术,这无疑有助于其在21世纪取得广泛的商业成功。