高纯碳化硅（SiC）陶瓷因其优异的导热性能、化学惰性和机械特性，已成为半导体制造、空间科技及化学工业等领域的关键材料。随着现代工业对高性能陶瓷需求的持续增长，开发高效率、低污染的高纯SiC制备工艺成为材料科学领域的重要课题。本文全面梳理了当前高纯SiC陶瓷的主要制备技术，包括重结晶烧结、常压烧结（PS）、热压成型（HP）、等离子活化烧结（SPS）及3D打印技术（AM）等，着重分析了各类工艺的成型机理、关键控制因素、材料性能特点及技术瓶颈。
SiC陶瓷在军事和工程领域的应用
本文将重点分析重结晶烧结、常压烧结、热压成型、等离子活化烧结与增材制造五种典型高纯SiC制备工艺，系统探讨其致密化机理、工艺优化路径、材料性能特征及产业化应用前景。
一、重结晶烧结工艺
重结晶碳化硅（RSiC）是通过高温（2100-2500°C）无添加剂烧结获得的高纯度材料。自19世纪末被发现以来，RSiC因其纯净晶界结构和无杂质相的特点备受重视。其烧结机理主要基于气相传输机制，在高温环境下细小晶粒蒸发并在大晶粒表面沉积，形成晶粒间的直接结合网络。
RSiC 的 SEM 断裂表面
为提升致密度，研究人员开发了熔融硅渗透技术，通过在碳/β-SiC坯体中引入硅熔体，成功构建α-SiC晶粒网络结构，使材料密度提升至2.7g/cm³，强度达到134MPa。更进一步的改进采用聚合物浸渍裂解（PIP）循环工艺，通过多次浸渍-热解处理，最终获得密度2.99g/cm³、抗弯强度162MPa的高性能RSiC材料。
经过聚合物浸渍和热解 (PIP)-重结晶循环的抛光 RSiC 的微观结构演变的 SEM：初始 RSiC (A)、第一次 PIP-重结晶循环后 (B) 和第三次循环后 (C）
常压烧结SiC陶瓷以高纯超细粉体为原料，添加少量烧结促进剂，在惰性气氛中1800-2150°C条件下烧结成型。该方法适合制备大尺寸和复杂形状制品，但因SiC共价键特性导致的低自扩散系数，必须借助烧结助剂实现致密化。
根据烧结机理差异，可分为液相辅助烧结（PLS-SiC）和固相烧结（PSS-SiC）两类：
1、液相辅助烧结采用约10wt%的低熔点氧化物（如Al₂O₃-Y₂O₃等）在2000°C以下形成液相促进致密化，但难以获得高纯度产品。
2、固相烧结在2000°C以上高温，添加约1wt%B-C系助剂促进原子扩散。优化工艺参数可制备纯度99.6%、相对密度98.4%的SiC陶瓷，其抗弯强度达443MPa，弹性模量420GPa，表现出优异的综合性能。
PSS-SiC的微观结构：(A)抛光和NaOH腐蚀后的SEM图像；(B-D)抛光和蚀刻后的BSD图像
热压技术通过同时施加高温和单向压力实现材料快速致密化。高压抑制气孔形成，高温促进晶粒融合，可获得高密度SiC陶瓷。但压力方向性易导致材料各向异性。
纯SiC在超高压条件下（如25GPa）可实现无助剂烧结，但设备要求苛刻。实际应用中多采用添加微量助剂方案，如在2050°C、40MPa条件下添加硼系助剂，可获得密度＞99.5%、硼残留仅556ppm的高纯SiC，其抗弯强度达454MPa，弹性模量444GPa。通过优化热压参数，还可显著提升材料热导率和抗等离子腐蚀性能。
(A)抛光表面的SEM图像；(B)断口的SEM图像；(C,D)抛光表面的BSD图像
SPS技术利用脉冲电流和机械压力协同作用，实现快速致密化。其特点包括：
- 直接焦耳加热效率高
- 等离子体活化促进表面清洁
- 电磁场增强原子扩散
- 烧结时间短（通常＜10分钟）
研究表明，在1860°C、50MPa条件下烧结5分钟，可获得相对密度98.5%、硬度28.5GPa、抗弯强度395MPa的高性能SiC陶瓷。该技术特别适合制备纳米结构SiC材料，如在1700°C下可获得晶粒尺寸30-50nm的致密纳米陶瓷。
在不同温度下烧结的 SiC 陶瓷的微观结构：（A）1600°C、（B）1700°C、（C）1790°C 和（D）1860°C
陶瓷增材制造主要包含以下工艺路线：
1、粘结剂喷射技术通过逐层粘结粉体并后续致密化处理。结合化学气相渗透（CVI）工艺，可获得密度2.95g/cm³、强度297MPa的SiC陶瓷部件。
2、光固化成型技术采用高固含量光敏浆料，通过紫外固化构建三维结构。优化后的工艺可获得氧含量仅0.12%的高纯SiC陶瓷，且无需预氧化处理。研究显示，固含量35vol%的浆料成型效果最佳，烧结后相对密度达84.8%。
SiC 陶瓷坯体的微观结构：(A) 30 vol%；(B) 35 vol% 和 (C) 40 vol%；以及聚合物烧尽后的多孔 SiC 预制件的微观结构：(D) 30 vol%；(E) 35 vol% 和 (F) 40 vol%
在光固化氮化硅陶瓷研究中发现，采用45vol%固含量浆料配合优化脱脂工艺（0.1°C/min升温速率），可获得无裂纹坯体。添加适当烧结助剂（如CeO₂或MgO-Y₂O₃）可显著提升最终制品性能，其中CeO₂助剂制备的样品硬度达1348HV，断裂韧性6.57MPa·m¹/²。
经过聚合物浸渍和热解 (PIP) 处理后的最终 SiC 陶瓷的微观结构：(A, D) 30 vol%, (B, E) 35 vol%, 和 (C, F) 40 vol%
高纯SiC陶瓷制备技术已形成多种工艺路线并行的格局，各自在纯度控制、结构复杂度、生产效率和成本等方面具有独特优势。未来发展方向包括：
1. 开发新型低污染烧结助剂体系
2. 优化增材制造浆料配方与工艺参数
3. 探索多工艺复合制备路线
4. 推动实验室成果向产业化转化
随着制备技术的不断创新，高纯SiC陶瓷必将在更广阔的领域发挥关键作用，为高端装备制造和新兴产业发展提供重要材料支撑。
上海知明科技是一家专注于高性能陶瓷材料研发与生产的高新技术企业，致力于为客户提供高纯碳化硅（SiC）陶瓷的定制化解决方案。公司拥有先进的材料制备技术和精密加工能力，业务涵盖高纯SiC陶瓷的研发、生产、精密加工及表面处理，可满足半导体、新能源、航空航天等领域对高性能陶瓷部件的严苛需求。依托成熟的烧结工艺和增材制造技术，我们能够为客户提供从材料配方优化、复杂结构成型到精密加工的一站式服务，确保产品具备优异的机械性能、热稳定性和耐腐蚀性。公司坚持以技术创新为核心，持续优化生产工艺，为客户提供高精度、高可靠性的定制化陶瓷产品，助力高端装备制造与新兴产业发展。
以下为知明生产的碳化硅陶瓷器件：
