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反应烧结碳化硅技术详解(RSSC)- 01 反应烧结碳化硅(RSSC)定义

日期:2024-01-16 浏览:340


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1 反应烧结碳化硅(RSSC)定义

反应烧结碳化硅(RSSC),又称硅化碳化硅或反应粘结碳化硅(RBSC)。由于有时候碳化硅氮化物粘结碳化硅(SNBSC)也称为RBSC。


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强调一下,RSSC工艺是近净成形工艺,即没有烧结收缩。这在很多方面都非常有用,尤其在于它具有杰出的成形尺寸稳定性,可以实现高尺寸公差。相比之下,直接烧结碳化硅(DSSC,参见第5章)与任何传统陶瓷一样,在烧结过程中会收缩。SNBSC也是一种近净成形工艺,但它生产的碳化硅陶瓷孔隙率很高,作为装甲或耐磨材料不如RSSC。与DSSC、HPSC、SNBSC和GBSC相比,RSSC的优缺点如下:

优点:

  • 生产成本明显更低:比DSSC便宜2-3倍,接近优质氧化铝的生产成本。

  • 近净成形工艺,可实现高尺寸公差和最小的烧结变形。

  • 可以进行烧结焊接。

  • 生坯强度高,可在生坯状态进行预切割、生坯机加工和其他成型。

  • 完全致密(零孔隙)。

  • 工艺复杂,文献记录非常稀少,对新生产商形成了很高的进入壁垒,这对现有生产商有利。

缺点:

  • 工艺复杂,文献记录非常稀少,对新生产商形成了很高的进入壁垒,这对新生产商不利。

  • 在弹道和耐磨性能方面,即使是最高等级的RSSC,也略逊于DSSC。

  • 由于RSSC倾向于在高于约1400°C的温度下渗出硅(熔点1410°C-1440°C),因此将其用作高温应用材料的适用性受到限制。

表 1 总结了 RSSC 相较于其他七种主要碳化硅类型的优缺点。总而言之,RSSC 在成本效益分析方面位居榜首。此外,对于现有 RSSC 生产商而言,由于新进入者面临的高进入壁垒,他们可以保持一定的市场垄断地位。

表1 八种主要碳化硅类型的主要市场和相对性能排名


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与 DSSC 相比,RSSC 的关键缺点是耐磨性和弹道性能较低。只有最高等级的 RSSC 在这方面才能接近 DSSC,但仍无法超越。

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图1 反应烧结碳化硅抛光砖。该抛光砖的微观结构如图2 所示。密度为 3.05 g/cm3,硅含量为 18 Vol.%。


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图2 图1所示反应烧结SiC瓦的微观结构,800倍。使用带有蓝色滤光片的光学显微照片,以便从SiC(深色颗粒)中更清楚地突出硅(浅色相)。3.05 g/cm3,也就是18体积%硅。很明显,在这种密度下硅含量是可观的,但连续相是SiC。

抛光后的 RSSC 表面呈现与 DSSC 类似的灰色和均匀外观(图 1)。然而,RSSC 的微观结构却截然不同。它由烧结碳化硅连续基体组成,气孔100% 填充硅金属(图 2)。RSSC 是无孔隙材料,碳化硅为连续和主导相,硅金属为离散和次要相。

因此,RSSC 具备两个非常重要的特性,并在所有碳化硅陶瓷中独树一帜:

  • RSSC 陶瓷采用近净成形烧结工艺。

  • RSSC 陶瓷为无孔隙材料。

严格来说,RSSC 是一种金属基复合材料,它拥有连续的陶瓷基体(SiC)和金属填充的孔隙(硅)。RSSC 和硬质合金金属基复合材料(碳化钨/钴)在耐磨陶瓷行业的高端市场份额方面展开激烈竞争。它们都具有一个共同点,即金属碳化物是连续和主导相,填充金属是离散和次要相。

然而,RSSC 和硬质合金金属基复合材料之间存在一个重要区别。硬质合金中的金属相(通常是钴,较少是镍)的主要目的是提高碳化钨或替代重金属硬质合金(碳化钛)的韧性。对于 RSSC 而言,金属相(硅)的目的是填充孔隙,使 RSSC 陶瓷达到 100% 致密。这种区别的原因在于硅是一种脆性金属,而钨和镍则非常坚韧。

尽管反应烧结碳化硅 (RSSC) 最广泛用于耐磨陶瓷领域,但它也是世界上最重要的装甲陶瓷之一,在市场重要性方面仅次于直接烧结碳化硅 (DSSC)、碳化硼 (B4C) 和氧化铝 (Al₂O₃),位居第四。事实上,如果 RSSC 的制造过程更加简单,它将毫无疑问地排名第一,因为高等级的 RSSC 性能几乎与 DSSC 一样出色,但价格仅为一半。

RSSC 的无孔隙特性对于弹道性能和耐磨性能都至关重要,因为孔隙会使陶瓷更加易碎,并可能降低弹道性能和耐磨性能。同样重要的是,要强调造成这种差异的原因在于钴和镍是坚韧的金属,而硅则不是。总而言之,RSSC 金属基复合材料与硬质合金金属基复合材料之间存在六个关键区别:

金属的作用: 硬质合金中的金属相(通常为钴)起到增韧作用。RSSC 中的金属相是硅,其主要作用是填充孔隙,形成 100% 致密无孔的陶瓷,这对装甲和耐磨应用至关重要。硅比碳化硅更软,韧性也略低,因此为了最大限度地提高硬度和断裂韧性,希望硅含量尽可能低。

生物危害: 硬质合金中的重金属会造成生物危害,这对生产和处置构成重大问题。RSSC 是一种相对安全的材料,除了制造过程中会产生一些灰尘。

重量: 硬质合金是非常重密的中金属基复合材料,典型密度约为 15 g/cm³。RSSC 非常轻质,典型密度约为 3.1 g/cm³。对于弹道装甲而言,这种低密度非常有利。

韧性: 硬质合金以其高韧性和抗冲击性而闻名,比陶瓷高出一个数量级,但比钢低几个数量级。纯碳化硅和 RSSC 均具有约 3 MPa·m1/2 的中等韧性,这对于传统陶瓷而言属于平均水平。

硬度: 硬质合金非常坚硬,硬度范围为 12-16 GPa,与氧化铝陶瓷相当。然而,它们远不及 RSSC,RSSC 的硬度最高可达 24 GPa,高质量等级的硬度始终高于 22 GPa。

成本: 硬质合金的成本约为 RSSC 的三倍。造成这种差异的原因有很多,其中钨是一种非常昂贵的稀有金属,钴和镍也相当昂贵,而碳化硅磨料和工业级硅金属则价格便宜且储量丰富。


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