SiC是一种典型共价键结合的化合物，其原子扩散迁移率很低，晶界能与表面能之比很高，在无烧结助剂的作用下，即使经过高温烧结也很难获得致密材料。

本文中概述了SiC材料晶体结构及应用现状，综述了SiC 陶瓷材料烧结工艺特点和目前研究进展，并讨论了SiC陶瓷材料的烧结助剂种类及助烧机制，指出了高性能SiC陶瓷材料制备的局限性，并对未来发展方向进行了展望。

1.1.1  常压烧结

常压烧结核心原理是将掺有少量烧结助剂的SiC粉体制备成坯体后，在2 000~2 150 ℃、无额外压力的情况下使坯体致密化。史秀梅等采用B4C和酚醛树脂为主要添加剂，利用常压烧结法制备SiC陶瓷材料。研究表明：当热处理温度设定为2 150 ℃，且酚醛树脂与碳化硼的添加量分别固定在2%（w）和2.5%（w）时，通过采用粒径比为4:1的粗、细混合粉体进行常压烧结，所得到的SiC陶瓷试样的密度和抗折强度均优于仅使用单一粗粉体烧结的试样。Yeom等以SiC粉末为原料、B4C粉末为烧结助剂，在2 150 ℃不施加外部压力的氩气保护气氛中，保温1 h得到SiC陶瓷材料。该陶瓷具有较高的比刚度和杨氏模量，分别为144.4×10-6 m2‧s-2 和 433.0 GPa。

Bahaaddini 等采用 β-SiC 粉末为原料，Al2O3-Y2O3-B4C-C 为添加剂，探究复合添加剂中B4C添加量对常压烧结SiC陶瓷材料的影响。研究表明：在1 900 ℃下，当B4C添加量为5%（w）时，该陶瓷材料的机械性能最好。Liu等以亚微米α-Al2O3为原料、通过乙醇混合硼酸和D-果糖作为B和C源，通过无压烧结法制备SiC陶瓷材料，并通过调整烧结助剂B和C的含量，研究B和C的含量对SiC 陶瓷材料密度和残余C量的影响。当添加的C量为1.8%（w）， B量为0.4%（w）时，试样相对密度达到最高，残余C含量最低。此时，该陶瓷材料的杨氏模量和比刚度分别为420 GPa和132.9×10-6 m2‧s-2。 

常压烧结SiC具有致密化程度较高、生产成本低等优点，适用于生产形状复杂的精密部件。常压烧结由于不受高压设备限制，所以能够满足大尺寸SiC陶瓷部件生产的需求，如大尺寸的陶瓷热交换器、陶瓷炉衬等。然而，常压烧结SiC的热处理温度一般在1 900 ℃以上，同时还需要添加适量的烧结助剂才能达到较好的烧结效果。

1.1.2  反应烧结 

反应烧结核心原理在于将SiC粉末与碳颗粒均匀混合、成型，随后素坯在高温条件下，熔融硅与碳源发生反应，生成β-SiC，并与原有的α-SiC紧密结合。在此过程中，液态硅不仅参与化学反应，还有效地填 充材料中剩余气孔，从而得到高密度和低缺陷特征的SiC陶瓷材料[22-23]。Suyama 等研发了抗弯强度为800 MPa的反应烧结SiC陶瓷材料，该陶瓷材料表现出良好的刚性、 高导热性和高密度，且室温下最大弯曲强度可达1 091 MPa。贺国旭等以w（SiC）≥98%的微米级SiC为 骨料，炭黑为碳源，探究炭黑加入量对反应烧结制得 SiC 陶瓷材料物理性能的影响。当热处理温度在 1 720 ℃、添加5.94%（w）炭黑时，SiC晶粒分布均匀且连接紧密，SiC陶瓷材料具有良好的致密度和力学 性能。Perevislov 等以碳和碳化硅粉末为原料，通过反应烧结方法制备 SiC 陶瓷材料，并研究不同粒径 的SiC粉末对SiC陶瓷材料性能的影响。结果表明：SiC原料中m（M40）: m（M28）: m（M5）＝50: 40: 40 时（M40=27.8 μm; M28=14.8 μm; M5=3.7 μm）， 试样的力学性能达到最佳。Kulych等利用硅浸渍SiC 框架，通过反应烧结而获得SiC陶瓷材料。所得SiC材料的热导率为177 W·(m·K)-1，为理论值的36%。Markov 等研究了反应烧结SiC基试样在1 400 ℃的高温抗折强度。结果表明，试样在1 400 ℃抗折强度 可以达到100 MPa，这将有助于设计和开发用于燃气涡轮发动机等应用的耐热陶瓷组件。张喜飞等以炭黑和石墨作为碳源制备SiC陶瓷材料，并探究改变炭黑和石墨的质量比对反应烧结SiC性能的影响。研究 发现，当炭黑添加量为4%（w）、石墨添加量为6%（w）时，SiC陶瓷试样力学性能最佳。此时，常温抗折强度和断裂韧性分别达到251.7 MPa和4.29 MPa·m1/2，且试样中游离Si含量越低、晶粒尺寸越细小，反应烧结SiC陶瓷材料的力学性能越好。反应烧结SiC具有热处理温度低、操作简便等特点，且属于近净尺寸烧结工艺。在烧结过程中体积收 缩率近似为0，可用于大尺寸复杂形状坯体的制备。然而，反应烧结SiC陶瓷材料的力学性能受服役温度 的影响，通常反应烧结SiC陶瓷材料服役温度通常在1 300 ℃以下，当服役温度大于1 400 ℃时，反应烧 结SiC陶瓷材料的断裂模式由穿晶断裂转变为沿晶断裂，力学性能显著降低易发生脆性断裂。

1.1.3  重结晶烧结 

重结晶烧结SiC是一种采用SiC粉末作为基础原料，在高温和特定压力的保护气氛下经历蒸发、凝聚及再结晶，逐步形成坚固的SiC烧结体。在整个烧结过程中，材料体积保持了良好的稳定性，几乎没有收缩。此外，材料内部形成分布均匀的孔隙，这些孔隙不仅赋予材料独特的结构特性，还有效避免在标准烧 结过程中常见的尺寸不稳定问题。杨千秋等研究外加SiCf对重结晶SiC陶瓷材料力学性能的影响，结果表明：当热处理温度为2 200 ℃、 SiCf 添加量为20%（w）时，制备的SiC陶瓷试样力学性能最佳。周小楠等利用两步烧结法制得重结晶 SiC 陶瓷材料，首先利用SiC微米颗粒为主要原料，通过高温气固法得到纳米SiC预烧结体，再将其置于 2 000 ℃的热处理温度下进行重结晶处理，最终得到抗弯强度为75.7 MPa的高纯度重结晶烧结SiC陶瓷材 料。闵昌胜等利用重结晶烧结工艺成功制备了SiC陶瓷材料，并深入研究不同α-SiC粉末颗粒级配对其 性能的影响。结果表明：当α-SiC粉末按照0.5、25、38 μm的粒径配比进行混合时，所得的重结晶SiC蜂窝结构陶瓷材料展现出了最佳的力学特性。余超等以不同粒径的6H-SiC（0.5 μm，20 μm）和亚微米级 α-Al2O3为原料，通过重结晶烧结工艺制得SiC陶瓷材料。结果表明，当热处理温度为2 200 ℃、保温时间 为1 h 时，添加亚微米级α-Al2O3的SiC晶粒生长更为完善，由不规则颗粒状转变为规则的六方结构。重结晶烧结SiC具有较高孔隙率和优异的高温力学性能，因此被广泛应用于热交换器、高温电热元件 和高温承重部件等工作环境较为苛刻的领域。但该工艺制备流程复杂，生产成本较高。 

1.1.4  热压烧结 

热压烧结SiC是将粉体置于热压石墨模具中，依靠加热体和压柱对模具内粉体加热、加压，在温度和 压力的共同作用下完成对试样烧结致密化的方式。Alliegro 等以 SiC 粉末为原料，研究铝（Al）、铁（Fe）和硼（B）等多种添加剂在热压烧结工艺中 对碳化硅陶瓷材料制备过程的影响，结果发现少量Al和Fe的加入能够提高SiC陶瓷材料的致密化程度。Kim 等以 β-SiC 粉末为原料、Y2O3为烧结助剂，利用热压烧结法获得SiC陶瓷材料。结果表明：在Y2O3 烧结助剂加入量极低（2000 ppm）的情况下，利用热压烧结工艺，最终制得常温抗折强度为981 ± 128 MPa、 相对密度为99%的SiC陶瓷材料。王晓刚等以α-SiC、β-SiC为主要原料，采用热压烧结成功制备相对密 度达到99.2%的SiC陶瓷材料。经研究发现，当热处理温度为1 900 ℃、保温时间为60 min、β-SiC添加量 为10%（w）时，试样的力学性能达到最佳，其抗弯强度为568 MPa、断裂韧性达到5.10 MPa·m1/2。Liu等以 SiC 粉末、果糖和硼酸为原料，在2 050 ℃、40 MPa下进行热压烧结。结果表明，当B和C的添加 量分别为0.1%（w）和 1.4%（w）时，所制备的SiC陶瓷材料的相对密度高于99.5%，残余B的量仅为556 ppm。当热处理温度为1 900 ℃时，试样中SiC的晶粒尺寸和热导率分别从1.5 μm和155 W·(m·K)-1提高到1.8 μm 和167 W·(m·K)-1。此外，SiC 表面会形成一层薄薄的氟碳聚合物，防止等离子体腐蚀过程中F离子与Si元素发生反应，提高SiC陶瓷的等离子体腐蚀性能。

热压烧结可以获得致密度高于98%的SiC陶瓷材料，但产品由于受到热压烧结设备的影响，难以保证 大尺寸部件内部压力和温度的均一性，一般只用于中小尺寸部件的生产制备。

1.2.1  振荡压力烧结

振荡压力烧结最初是由清华大学谢志鹏团队提出，将静态恒压改变为振荡压力来制备高性能SiC陶瓷 材料的新型烧结工艺，其核心特点是在烧结过程中施加具有一定频率和振幅的动态压力，以促进材料致密 化和改善其显微结构的烧结方法。与传统恒定压力烧结相比，振荡压力烧结利用动态压力的振荡特性， 有助于打破粉末颗粒间的自锁状态，促进颗粒重排，增加堆积密度，同时在烧结过程中提供更大的驱动力， 加速晶粒旋转、滑移和塑性流动，从而促进材料的快速致密。振荡压力烧结工艺特别适用于高性能结构 陶瓷材料的制备，如SiC、B4C、Si3N4陶瓷等，能够显著提高材料的力学性能。

Li 等将 SiCp与 SiCw作为硅源、石墨烯片（GPL）作为碳源，氧化铝和氧化钇为烧结助剂，利用振 荡压力烧结工艺制备SiC陶瓷材料。结果表明，在1 700和1 750 ℃下通过振荡压力烧结制备的SiCp-SiCw 陶瓷材料孔隙呈现双峰分布，1 800 ℃下基本无空隙。而在1 800 ℃下通过热压烧结制备的SiCp-SiCw陶瓷 材料存在轻微的空隙，并且在SiC颗粒晶界处有明显的玻璃相。徐广平等[41]以α-SiC为原料、B4C为烧结 助剂，采用振荡压力烧结工艺制备出高性能SiC陶瓷材料。当热处理温度为1 900 ℃时，SiC陶瓷材料的 致密度、晶粒尺寸和抗弯强度可分别达到97.2%、1.65 μm和551 MPa。该SiC陶瓷材料各项性能均高于1 900 ℃热压烧结和2 200 ℃常压烧结制备的SiC陶瓷材料。Hao等以粒径为500 nm的β-SiC粉末为原 料，0.5%（w）B4C 和 0.5%（w）C 为烧结助剂制备SiC陶瓷材料，并探究振荡压力烧结工艺和热压烧结 工艺对SiC陶瓷制品的影响。结果表明，在2 000 ℃、热压烧结的烧结压力高于振荡压力烧结的烧结压力 时，热压烧结制备的试样表现出更高的相对密度。但振荡压力能有效抑制SiC晶粒的异常长大，可制备得 到硬度为28.9 GPa的SiC陶瓷，高于热压烧结在相同温度下制备试样的硬度（25.9 GPa）。 

振荡压力为SiC粉体提供了更大的烧结驱动力，有利于SiC晶粒生长，使得SiC陶瓷材料拥有更好的 使用性能。在振荡压力烧结温度比常压烧结低300 ℃情况下，振荡压力烧结的SiC陶瓷材料仍然能够实现 较高的致密度和优良的力学性能。然而，振荡压力烧结SiC设备相对复杂，产品生产周期长，难以满足大 规模工业化生产的需求。 

1.2.2  放电等离子烧结 

放电等离子烧结工艺是一种高效的烧结方法，采用脉冲电流直接加热导电模具和粉体，能够实现极快 的升温速率。放电等离子烧结工艺升温和降温速率快，能够在极短时间内完成烧结并有效抑制晶粒长大， 保证材料的晶粒尺寸细小且均匀。Li 等以 α-SiC 为原料、B4C 为烧结助剂，采用放电等离子烧结工艺制备SiC陶瓷材料。结果表明：在热处理温度为1 800 ℃的条件下，试样的相对密度、抗弯强度和硬度均达到最大值，分别为98.6%、592 GPa 和28.3 GPa，此时试样的力学性能最好。高丁等以粒径为0.5 μm的SiC粉末为原料、Al2O3-Y2O3 CaO 为烧结助剂，在 20 MPa、1 700 ℃的真空烧结环境下，采用放电等离子烧结工艺，得到相对密度为97.7%、硬度为23.3 GPa、韧度为4.1 MPa·m1/2的SiC陶瓷材料。Sun等[45]将SiC、CeO和Al2O3按照质量 比为93:3.5:3.5 进行混合，成型的坯体采用放电等离子烧结工艺进行烧结。在热处理温度为1 700 ℃、SiC 坯体初始厚度为50 μm的条件下，实现SiC陶瓷材料的完全致密化，表现出更好的烧结性和高纳米压痕硬 度。 

对于SiC陶瓷材料而言，放电等离子烧结工艺可以在较低的温度下实现致密化。但该工艺生产的陶瓷 材料需要依赖模具，只能制备结构相对简单的陶瓷产品。而且，目前市面上常见的放电等离子烧结设备炉 膛尺寸较小，这限制了SiC陶瓷材料的尺寸，难以满足大规模工业化生产中对大尺寸部件的需求。

1.2.3  闪速烧结 

闪速烧结（简称闪烧）是Cologna 等于 2010 年提出的一种新型电场辅助快速烧结工艺。此烧结工 艺的核心原理是指在外加电场的作用下，试样内部产生焦耳热效应，实现试样的快速致密化并伴随闪光现 象。闪烧过程可以分为3 个阶段：

1）初始阶段：该阶段是在等温的条件下，外加电场以较低功率向试 样内部输入能量，电压达预设值。但电流较小，无法到达预设值。此阶段目的是为后续的闪烧反应积累能量。

2）闪烧阶段：该阶段也被称为“核心阶段”，当温度升至某一临界值时，试样内部电流迅速升高至预 设值并保持恒定，烧结过程由电压控制转为电流控制。在强电场与热场的作用下，试样快速收缩和致密化， 并伴有发光现象。

3）稳态阶段：该阶段电流、电压逐渐趋于平稳，试样进入恒流稳态。Zhao 等利用含 6%（w）聚乙烯醇的6H-SiC粉末为原料，在首次不使用添加剂的情况下利用闪烧技 术制备SiC陶瓷材料。研究发现，狗骨形状的坯体在110 mA·mm-2的电流密度下保温60 s，最终试样的相 对密度到达96.5%。Gibson 等首次使用 B 和 C 烧结助剂成功实现SiC陶瓷材料的无压闪烧，得到致密度为94.4%，晶粒尺寸为5.9 ± 0.5 μm，维氏硬度为24.7 ± 0.5 GPa的试样，与常压烧结相比，制备时间减 少了6 h以上，并且炉温降低了700 °C。Shin等以半导体制造废弃物产生的高纯度Si废料和Y2O3粉末 为原料，利用闪烧技术成功制备β-SiC陶瓷材料，并探究了烧结助剂Y2O3的加入对β-SiC陶瓷致密度的影 响。结果表明，烧结助剂Y2O3的加入可以在较低炉温下（1 133 ℃）进行闪烧，并且促进材料致密化。在 闪烧过程中，当施加的电流密度为60 mA·mm-2、保温60 min时，β-SiC陶瓷材料的相对密度达到了85%。 

闪速烧结具有能耗低、生产速率快等优点，如今已经成为SiC陶瓷材料致密化的一种最先进的节能技术。尽管闪烧技术已经取得了一定的研究成果，但关于其烧结机制仍存在许多不清楚的地方，如闪烧过 程中电流和电场的作用机制、物质的传输和反应机制等，这在一定程度上限制了该技术的进一步发展和应用。

2.1  固相烧结助剂 

在SiC陶瓷材料制备过程中，烧结工艺和烧结助剂的选择对SiC陶瓷材料起着非常重要的影响。为满足各领域对高品质SiC陶瓷的要求，需改进现有烧结工艺、完善烧结助剂体系，从而降低热处理温度、细化晶粒结构，最终实现高性能SiC陶瓷材料的制备。因此，SiC陶瓷材料未来的发展应该集中在以下几个方面：

（1）SiC陶瓷材料生产过程中，SiC原料粉体的颗粒度和纯净度均会影响最终产品的质量。因此，应对现有SiC粉体的合成、纯化以及细化工艺进行改进，最终改善SiC陶瓷材料的使用性能。

（2）烧结助剂的加入会促进SiC陶瓷材料的烧结速率、提高烧结质量，但添加量过大时，会影响材料的力学性能和高温使用性能。未来的研究可以进一步探索使用更少量的烧结助剂，并提高材料的性能。 

（3）高温高压的烧结环境可以使 SiC 陶瓷材料具有更好的力学性能和更高的致密度，同时烧结助剂的加入，可显著缩短SiC陶瓷材料的烧结时间。在未来的研究过程中，应着力于优化烧结工艺参数，如温度、压力、气氛等，进一步提高SiC陶瓷材料生产质量以及使用性能。