添加氧化铝和氧化钇通过启动称为液相烧结的机制来降低所需的操作温度。 这些粉末与碳化硅（$SiC$）颗粒表面天然存在的二氧化硅薄膜发生化学反应，形成硅酸盐液相。该液相填充孔隙并加速原子运动，从而使材料在比无添加剂工艺低得多的热条件下有效致密化。
核心见解：氧化铝和氧化钇充当助熔剂，降低了致密化的能量势垒。通过与表面二氧化硅形成低熔点液相，它们桥接颗粒间隙并加速传质，从而在 1800°C–1900°C 下实现完全致密。
降温的化学原理
与表面二氧化硅反应
碳化硅颗粒的表面天然存在一层薄薄的二氧化硅（$SiO_2$）。
选择氧化铝（$Al_2O_3$）和氧化钇（$Y_2O_3$）等添加剂是因为它们与这种氧化物层具有化学反应性。
形成液相
当炉子升温时，这些添加剂并不仅仅是停留在 $SiC$ 晶粒之间；它们会与表面二氧化硅反应形成硅酸盐液相。
这种反应会产生“低共熔”熔体——一种熔点低于任何单一组分单独熔点的混合物。
加速传质
在固态下，原子移动缓慢，需要巨大的能量才能结合。
然而，硅酸盐液相充当高速通道，促进颗粒之间的传质。这使得陶瓷颗粒能够以更快的速度重新排列和结合，即使整体炉温较低。
对炉子的操作影响
较低的热设置
由于液相负责原子移动的工作，因此炉子无需达到固相烧结所需的极端温度。
操作员通常可以在1800°C 至 1900°C 之间实现有效的烧结，而无添加剂的 $SiC$ 通常需要高于 2000°C 的温度。
快速致密化
液相的存在允许快速致密化。
液相通过毛细作用流入晶界之间的孔隙和间隙，比单独的固相扩散更有效地消除空隙。
理解权衡
残余晶界相
虽然这种方法降低了能源成本，但会在晶界处留下第二相。
当液体冷却并凝固时，它会以玻璃状或结晶状硅酸盐边界层的形式保留在 $SiC$ 晶粒之间。
高温性能限制
纯 $SiC$ 以在极端温度下保持强度而闻名。
然而，氧化铝和氧化钇引入的硅酸盐相的熔点低于纯 $SiC$。因此，最终部件在最终应用中如果重新暴露于超高温，可能会表现出机械强度或抗蠕变性降低。
为您的目标做出正确选择
决定是否使用这些添加剂取决于在制造效率和陶瓷的最终性能要求之间取得平衡。
- 如果您的主要关注点是制造效率：使用氧化铝和氧化钇通过液相烧结降低能耗并缩短循环时间。
- 如果您的主要关注点是超高温纯度：避免使用添加剂，以防止形成低熔点晶界相，并接受您需要更高的炉温来烧结。
通过使用氧化铝和氧化钇，您可以用显著更高效、更低温的制造窗口来换取极端的温度纯度。
总结表：
| 特性 | 无添加剂烧结 | 液相烧结（含 Al₂O₃/Y₂O₃） |
|---|---|---|
| 烧结温度 | > 2000°C | 1800°C – 1900°C |
| 机理 | 固相扩散 | 液相传质 |
| 致密化 | 较慢，能耗高 | 通过毛细作用快速实现 |
| 晶界 | 纯 $SiC$ 接触 | 存在残余硅酸盐相 |
| 最适合 | 超高温纯度 | 制造效率和成本更低 |
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参考文献
- Hidehiko Tanaka. Silicon carbide powder and sintered materials. DOI: 10.2109/jcersj2.119.218
本文还参考了以下技术资料 Kintek Solution 知识库 .
