600碳化硅陶瓷的粉末注射成形及其导电特性
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摘 要：研究了碳化硅陶瓷的粉末注射成形工艺，分析了成形工艺及烧结助剂对其显微组织及力学性能的影响，探索了粉末注射成形碳化硅陶瓷的导电特性。以碳化硅为助剂的固相烧结温度为2100℃，脱脂坯烧结后具有最高的真实密度（3.12g/cm3），相对密度达97.5%，烧结后试样由固相碳化硅组成，XRD及TEM能谱分析表明试样内部无残余氧化硅，制品晶粒平均尺寸小于1μm，室温弯曲强度达345MPa。采用直流电流电压测试方法，测定了粉末注射成形方法制得的SiC陶瓷在室温至800℃范围内的直流电导率。
关键词：粉末注射成形；碳化硅；电导率
中图分类号：TF124 文献标识码：A
碳化硅陶瓷（SiC）具有耐磨、耐腐蚀、耐热震、高强度、高热导等优异的性能，在微电子工业、石油工业、化学工业、核工业等领域具有广泛的用途。碳化硅有100多种结晶类型,各种碳化硅晶体的单位晶胞均由相同硅碳四面体构成。构成每个单位晶胞的固体的层数及各层的相对位置不同,就形成了不同类型的碳化硅。碳化硅是一种优良的半导体材料，并且具有良好的非线性导电特性。这一特性使得碳化硅在防电晕等方面有重要应用。另外，采用SiC所制备的发光二极管的辐射波长可以覆盖从蓝光到紫光的波段，在光信息显示系统及光集成电路等领域中具有广阔的应用。
然而其难加工性阻碍了该材料在许多领域的应用，其中以具有复杂形状的碳化硅制品最为突出。粉末注射成形因其自身优势已成为制备碳化硅复杂零件倍受青睐的一种工艺。该技术首先将聚合物基粘结剂与金属或陶瓷粉末混合制得喂料，熔融喂料通过注射成形机可以成形具有复杂形状的零件生坯，然后通过脱脂和烧结得到致密的碳化硅制品F。然而粉末注射成形工艺独特的成形工艺及其组织特性将对碳化硅陶瓷材料的导电特性产生影响，目前相关研究鲜见报道。
本研究通过粉末注射成形制备了碳化硅试样，在详细分析其微观组织、力学特性的基础上，探索其导电特性。
1 实验方法
实验所用碳化硅陶瓷颗粒平均直径0.8μm，烧结助剂采用碳化硼。首先将SiC与碳化硼的混合粉末在双行星混炼机中于180℃下预热30分钟，然后加入石蜡基粘结剂混炼40分钟，混炼后挤出造粒制得注射成形用喂料，喂料中粉末体积含量为53%。通过注射成形机制得弯曲样品生坯，生坯尺寸为直径25mm，厚3mm的试样，烧结后切割成条状样品用于导电性能测试。注射工艺参数如下：注射压力80MPa，塑化温度175℃，模具温度50℃，保压时间4S。热脱脂在氩气保护下于1200℃的管式炉中脱脂。脱脂后的全部样品在2100℃的氩气气氛下无压烧结一小时，升温速率如下：室温-1000℃，25℃/min；1000-1600℃，15℃/min；1600-2100℃，10℃/min。
2 实验结果与讨论
图1显示的是成形和脱脂后的弯曲样品。由图可见，样品颜色不同。在氩气气氛中脱脂的样品呈现与原始SiC粉末相似的颜色。脱脂过程中缺陷的发生是影响脱脂性能的一个主要因素，如裂缝、气孔、弯曲，因此实验分析了脱脂工艺对脱脂后样品成形特性的影响。
图1脱脂后的弯曲试样
图2所示为不同试样烧结后宏观形貌，对比烧结前，烧结后试样具有较大的线性收缩率，线性收缩约为19%，相应的烧结制品真实密度为3.12g/cm3，其相对密度大97.5%，粉末注射成形碳化硅生坯在无压烧结时若添加碳化硼作为助剂可以明显改善其烧结特性，从而显著降低制品气孔率。
图2 烧结后的弯曲试样
2.2 粉末注射成形碳化硅力学特性
烧结后制品晶粒形貌及尺寸是影响其力学性能的另一关键因素，图3所示为烧结后试样断口形貌。由图可看出试样断口出现了碳化硅和碳化硼两项，晶界完全连接，同时晶粒生长完善，大部分的晶粒呈现出规则几何形状，仅存在少量的气孔。另外，图中所示断面均参差不齐，以沿晶断裂为主。这说明晶界和气孔是影响烧结后制品强度的关键因素，如未经氧化直接烧结制品弯曲强度与压缩强度分别为345MPa和2.78GPa。烧结后晶粒尺寸小于1μm，与所用碳化硅粉末相比尺寸上没有明显长大。
图3 烧结后试样抛光面
2.3 粉末注射成形碳化硅导电特性
如图4所示为室温至800℃间的电导率变化曲线，有图中可以看出烧结后碳化硅陶瓷具有良好的半导体特性，400℃以下其电导率几乎为零，500℃后电导率快速增加，温度达800℃后其电导率已超过1Scm-1。
图4不同温度下碳化硅电导率
目前，碳化硅的导电机理目前还没有一个统一的看法，但是可以肯定的一点是：碳化硅的伏安特性的非线性是由颗粒间的接触现象所引起的。归纳起来，有以下几种理论：
碳化硅颗粒表面氧化理论碳化硅颗粒表面存在一层很薄的胶态二氧化硅薄膜，这些薄膜有很高的电阻率，碳化硅晶体本身的电阻率很小。因此，当外加电压时，绝大部分电压都降落在二氧化硅薄膜层上，因而在这薄膜层内形成很高的电场强度。
晶粒间接触处局部加热理论，这种理论认为碳化硅非线性的原因是由于颗粒间接触分布电阻加热效应引起这种分布电阻的温度系数一般是负的。
结论
以碳化硼为烧结助剂的碳化硅2100℃下无压烧结1小时后真实密度达3.12g/cm3，相对密度达97.5%，制品晶粒平均尺寸小于1μm，室温弯曲强度达345MPa。烧结后碳化硅陶瓷具有良好的半导体特性，400℃以下其电导率几乎为零，500℃后电导率快速增加，温度达800℃后其电导率已超过1Scm-1。
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