.png)
.png)
Email this article 
Open Access
Subscription Access
Comparative study of methods for obtaining silicon carbide ceramic materials
https://doi.org/10.17073/1683-4518-2023-6-13-26
Abstract
At the moment, about ten different methods for obtaining silicon carbide ceramic materials have been developed. This paper presents the mechanisms and describes the advantages and disadvantages of the most commonly used in practice methods of forming and sintering SiC powders. The main properties and applications of the resulting ceramic products are indicated.
About the Authors
A. N. BelyakovRussian Federation
Санкт-Петербург
M. A. Markov
Russian Federation
Санкт-Петербург
D. A. Dushkina
Russian Federation
Санкт-Петербург
A. D. Bykova
Russian Federation
Санкт-Петербург
A. G. Chekuryaev
Russian Federation
Санкт-Петербург
A. D. Kashtanov
Russian Federation
Санкт-Петербург
References
1. Гнесин, Г. Г. Бескислородные керамические материалы / Г. Г. Гнесин. ― Киев : Техника, 1987. ― 152 с.
2. Гнесин, Г. Г. Карбидокремниевые материалы / Г. Г. Гнесин. ― М. : Металлургия, 1977. ― 216 с.
3. Рахаман, М. Н. Технология получения керамик. Синтез. Консолидация. Спекание [пер. с англ.] / М. Н. Рахаман ; под ред. В. Н. Чувильдеева, М. С. Болдина, Д. А. Пермина. ― Нижний Новгород : ННГУ им. Н. И. Лобачевского, 2022. ― 741 с.
4. Матренин, С. В. Техническая керамика / С. В. Матренин, А. И. Слосман. ― Томск : Изд–во ТПУ, 2004. ― 75 с.
5. Хасанов, О. Л. Методы компактирования и консолидации наноструктурных материалов и изделий / О. Л. Хасанов, Э. С. Двилис, З. Г. Бикбаева. ― Томск : Изд–во Томского политехнического университета, 2008. ― 212 с.
6. Попильский, Р. Я. Прессование порошковых керамических материалов / Р. Я. Попильский, Ю. Е. Пивинский. ― М. : Металлургия, 1983. ― 176 с.
7. Perevislov, S. N. Effect of SiC dispersed composition on physical and mechanical properties of reactionsintered silicon carbide / S. N. Perevislov, M. A. Markov, A. V. Krasikov [et al.] // Refract. Ind. Ceram. ― 2020. ― Vol. 61, № 2. ― P. 211‒215. Перевислов, С. Н. Влияние дисперсного состава SiC на физико-механические свойства реакционноспеченного карбида кремния / С. Н. Перевислов, М. А. Марков, А. В. Красиков [и др.] // Новые огнеупоры. ― 2020. ― № 4. ― С. 41‒45.
8. Дятлова, Е. М. Химическая технология керамики и огнеупоров / Е. М. Дятлова, Ю. А. Климош. ― Минск : БГТУ, 2014. ― 224 с.
9. Markov, M. A.Development of novel ceramic construction materials based on silicon carbide for products of complex geometry / M. A. Markov, A. V. Krasikov, I. N. Kravchenko [et al.] // Journal of Machinery Manufacture and Reliability. ― 2021. ― Vol. 50, № 2. ― P. 158‒163.
10. Грибовский, П. О. Горячее литье керамических изделий / П. О. Грибовский. ― М. : Госэнергоиздат, 1961. ― 400 с.
11. Добровольский, А. Г. Шликерное литье / А. Г. Добровольский. ― М. : Металлургия, 1977. ― 173 с.
12. Беляков, А. Н. Исследование структуры и физикомеханических характеристик реакционно-спеченных материалов B4C‒SiC / А. Н. Беляков, М. А. Марков, С. Н. Перевислов [и др.] // Новые огнеупоры. ― 2023. ― № 2. ― С. 29‒33.
13. Беляков, А. Н. Исследование реакционноспеченных материалов B4C‒SiC, полученных методом горячего шликерного литья / А. Н. Беляков, М. А. Марков, А. Н. Чекуряев [и др.] // Физика и химия стекла. ― 2023. ― Т. 49, № 3. ― С. 346‒356.
14. Гегузин, Я. Е. Физика спекания / Я. Е. Гегузин. ― М. : Наука, 1984. ― 312 с.
15. Макаров, Н. А. Физическая химия спекания / Н. А. Макаров, Д. В. Харитонов, Д. О. Лемешев. ― М. : РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2019. ― 189 с.
16. Helbig, J. Grundzüge der Keramik / J. Helbig, U. Schönholzer // Professur für nichtmetallische Werkstoffe ETH. ― Zürich. ― 2001. ― S. 37‒43.
17. Kriegesmann, J. Sintering phenomena in silicon carbide / J. Kriegesmann // Powder Metallurgy International. ― 1986. ― Vol. 18. ― P. 341‒343.
18. Kriegesmann, J. Processing Phenomena for Recrystallized Silicon Carbide / J. Kriegesmann // Grain Boundary Controlled Properties of Fine Ceramics. ― 1992. ― P. 176‒188.
19. Kriegesmann, J. Competing sintering mechanisms in silicon carbide / J. Kriegesmann // Interceram. ― 1988. ― Vol. 37, № 2. ― P. 27‒30.
20. Власова, М. В. Влияние исходного состояния компонентов синтеза в реакции карботермического восстановления кремнезема на структуру частиц карбида кремния. Ч. I. Система аэросилсахароза / М. В. Власова, Л. Т. Домасевич, Н. Г. Каказей [и др.] // Порошковая металлургия. ― 1993. ― № 4. ― С. 64‒74.
21. Chakrabarti, O. P. Influence of free silicon content on the microhardness of RBSiC / O. P. Chakrabarti, P. K. Das, J. Mukerji // Ceram. Forum. Int. ― 1997. ― Vol. 74, № 2. ― P. 98‒101.
22. Федорук, Р. М. Исследования влияния добавок графита и удельной поверхности кремния на теплопроводность и другие свойства реакционносвязанных карбидкремниевых изделий / Р. М. Федорук, В. В. Примаченко, Л. К. Савина, Е. В. Полтарак // Сборник научных трудов. ― 2004. ― Т. 104. ― С. 31‒38.
23. Kim, H. W. Effect of oxidation on the roomtemperature flexural strength of reaction-bonded silicon carbides / H. W. Kim, H. E. Kim, H. Song [et al.] // J. Am. Ceram. Soc. ― 1999. ― Vol. 82, № 6. ― P. 1601‒1604.
24. Huang, Q.-W. High-temperature strength and toughness behaviors for reaction-bonded SiC ceramics below 1400 °C / Q.-W. Huang, L.-H. Zhu // Mater. Lett. ― 2005. ― Vol. 59, № 14/15. ― P. 1732‒1735.
25. Lu, Zh. Microstructure, porosity and resistivity in reaction-bonded silicon carbide / Zh. Lu, L. Ziong, J. Gao [et al.] // Xi'an jiaotong daxue xuebao. ― 1999. ― Vol. 33, № 4. ― P. 48‒51.
26. Sangsuwan, P. Reaction-bonded silicon carbide by reactive / P. Sangsuwan, J. A. Orejas, J. E. Gatica [et al.] // Industrial & engineering chemistry research. ― 2001. ― Vol. 40, № 23. ― P. 5191‒5198.
27. Wang, Y.-X. The fabrication of reaction-formed silicon carbide with controlled microstructure by infiltrating a pure carbon preform with molten Si / Y.-X. Wang, Sh.-H. Tan, D.-L. Jiang // Ceram. Int. ― 2004. ― Vol. 30, № 3. ― P. 435‒439.
28. Scafe, E. Mechanical behavior of silicon-silicon carbide composites / E. Scafe, G. Giunta, L. Fabbri [et al.] // J. Eur. Ceram. Soc. ― 1996. ― Vol. 16, № 7. ― P. 703‒713.
29. Дьячкова, Л. Н. К вопросу о получении карбидкремниевых материалов методом реакционного спекания / Л. Н. Дьячкова, Е. В. Звонарев, В. М. Шелехина [и др.] // Инженерно–физический журнал. ― 1997. ― Т. 70, № 2. ― С. 260‒263.
30. Параносенков, В. П. Конструкционные материалы на основе самосвязанного карбида кремния / В. П. Параносенков, А. А. Чикина, М. А. Андреев // Огнеупоры и техническая керамика. ― 2006. ― № 7. ― С. 37‒40.
31. Параносенков, В. П. Самосвязанный карбид кремния ОТМ-923 / В. П. Параносенков, А. А. Чикина, И. Л. Шкарупа // Огнеупоры и техническая керамика. ― 2004. ― № 2. ― С. 23‒25.
32. Гаршин, А. П. Реакционно-спеченные карбидкремниевые материалы конструкционного назначения. Физико-механические и триботехнические свойства / А. П. Гаршин, С. Г. Чулкин. ― СПб. : Изд. Политехнического ун-та, 2006. ― 84 с.
33. Гаршин, А. П. Влияние некоторых технологических параметров на формирование структуры материалов на основе реакционно-спеченного карбида кремния / А. П. Гаршин, Ю. Н. Вильк // Огнеупоры и техническая керамика. ― 1996. ― № 8. ― С. 2‒8.
34. Перевислов, С. Н. Материалы на основе карбида и нитрида кремния с оксидными активирующими добавками для изделий конструкционного назначения: диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук / Санкт-Петербург. ― 2017. ― 346 с.
35. Перевислов, С. Н. Жидкофазноспеченый карбид кремния: спекание, структура, механические свойства / С. Н. Перевислов, Д. Д. Несмелов // Огнеупоры и техническая керамика. ― 2014. ― № 4/5. ― С. 3‒13.
36. Nadeau, J. S. Very high pressure hot pressing of silicon carbide / J. S. Nadeau // Am. Ceram. Soc. Bull. ― 1973. ― Vol. 52. ― P. 170‒174.
37. Rahaman, M. N. Ceramic processing and sintering / M. N. Rahaman // 1st ed. N. Y.: New York ‒ Basel : Marcel Dekker Inc., 1995. ― P. 389‒392.
38. Андрианов, Н. Т. Химическая технология керамики / Н. Т. Андрианов ; под ред. И. Я. Гузмана. ― М. : Стройматериалы, 2012. ― 226 с.
39. Карелин, В. А. Исследование влияния механической активации сырья на свойства синтезируемого высокочистого карбида кремния / В. А. Карелин, С. П. Андриец, А. П. Юферова // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. ― 2005. ― Т. 308, № 6. ― С. 104‒108.
40. Войценя, В. С. Перспективы использования SiC/ SiC-композитов в термоядерных реакторах (по анализу международных баз данных INIS, MSCI, INSPEC) / В. С. Войценя, А. Г. Шепелев, Т. А. Пономаренко // Вопросы атомной науки и техники. № 2. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение. ― 2007. ― С. 160‒163.
41. Kriegesmann, J. Processing of silicon carbidebased ceramics / J. Kriegesmann // Comprehensive Hard Materials. ― 2014. ― P. 89‒175.
42. Гегузин, Я. Е. Физика спекания / Я. Е. Гегузин. ― Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1967. ― 173 с.
43. Филонов, К. Н. Новая профилированная керамика на основе карбида кремния / К. Н. Филонов, В. Н. Курлов, Н. В. Классен [и др.] // Известия Российской академии наук. Серия физическая. ― 2009. ― Т. 73, № 10. ― С. 1460‒1462.
44. Prochazka, S. Sintering of silicon carbide / S. Prochazka, J. J. Burke // Ceramics for High Performance Applications. ― 1974. ― P. 239‒252.
45. Coppola, J. A. Substitution of ceramics for ductile materials in design / J. A. Coppola, G. H. McMurty // National Symposium on Ceramics in the Service of Man : Washington D. C. : Carnegie Institution., 1976. ― Р. 73–79.
46. Vaßen, R. Densification of ultrafine SiC powders / R. Vaßen, A. Kaiser, J. Förster [et al.] // Journal of Materials Science. ― 1996. ― Vol. 31. ― P. 3623‒3637.
47. Förster, J. Improvement of fracture toughness in hot isostatically pressed mixtures of ultrafine and coarsegrained SiC ceramics / J. Förster, R. Vaßen, D. Stöver // J. Mater. Sci. Lett. ― 1995. ― № 14. ― P. 214‒216.
48. Morrell, R. Handbook of properties of technical and engineering ceramics / R. Morrell. ― Hmso : London, UK, 1987. ― 357 p.
49. Prochazka, S. Special Ceramics / S. Prochazka // Stoke-on-Trent England: British Ceramic Research Association. ― 1975. ― P. 171‒182.
50. Пат. 4080415A США. Metod of producing high density silicon carbide product / Coppola J. A., R. H. Smoak R. H. ; ― № 743,448 ; заявл. 22.11.1976 ; опубл. 21.03.1978.
51. Dijen, F. K. Liquid phase sintering of silicon carbide / F. K. Dijen, E. Mayer // J. Eur. Ceram. Soc. ― 1996. ― № 16. ― P. 413‒420.
52. Казармщиков, И. Т. Производство металлических конструкционных материалов / И. Т. Казармщиков. ― Оренбург : ГОУ ОГУ, 2004. ― 247 с.
53. Mohr, A. Untersuchungen zur Minimierung der Additivgehalte für die Drucklose Sinterung von α-SiC : дис. Diplomarbeit, Institut für Keramik im Maschinenbau, Universität Karlsruhe, 1989. ― 213 р.
54. Suzuki, K. Pressureless sintering of SiC with addition of Al2O3. In: SiC ceramics. Vol. 2 / K. Suzuki, S. Somiya, Y. Inomata. ― London : Elsevier, 1991. ― P. 163‒182.
55. Sigl, L. S. Core/Rim structure of liquid-phasesintered silicon carbide / L. S. Sigl, H. J. Kleebe // J. Am. Ceram. Soc. ― 1993. ― Vol. 76. ― P. 773‒776.
56. Mulla, M. A. Low-temperature pressureless sintering of β–SiC with aluminium oxide and yttrium oxide additives / M. A. Mulla, V. D. Krstic // J. Am. Ceram. Soc. Bull. ― 1991. ― Vol. 70, № 3. ― P. 439‒443.
57. Briggs, J. Engineering ceramics in Europe and the USA / J. Briggs. ― Enceram. Menith Wood. UK, Worcester, 2011. ― 331 р.
58. Пат. 4172109A США. Pressureless sintering beryllium containing SiC powder composition / R. H. Smoak. ; ― № 937,395 ; заявл. 28.08.1978 ; опубл. 23.10.1979.
59. Перевислов, С. Н. Горячепрессованные керамические материалы системы SiC–YAG / С. Н. Перевислов, А. С. Лысенков, Д. Д. Титов [и др.] // Неорганические материалы. ― 2017. ― Т. 53, № 2. ― С. 206‒211.
60. Vasilos, T. Pressure sintering of ceramics / T. Vasilos, R. M. Spriggs // Prog. Ceram. Sci. ― 1966. ― Vol. 4. ― P. 95.
61. Chen, D. Role of the grain-boundary phase on the elevated-temperature strength, toughness, fatigue and creep resistance of silicon carbide sintered with Al, B and C / D. Chen, M. E. Sixta, X. F. Zhang [et al.] // Acta Materialia. ― 2000. ― Vol. 48. ― P. 4599‒4608.
62. Kim, Y.-W. Microstructural development of liquidphase-sintered silicon carbide during annealing with uniaxial pressure / Y.-W. Kim, S.-G. Lee, M. Mitomo // J. Eur. Ceram. Soc. ― 2002. ― Vol. 22, № 7. ― P. 1031‒1037.
63. Zhan, G.-D.Microstructural control for strengthening of silicon carbide ceramics / G.-D. Zhan, M. Mitomo, Y.-W. Kim // J. Am. Ceram. Soc. ― 1999. ― Vol. 82, № 10. ― P. 2924‒2926.
64. Kim, Y.-W. Effect of initial particle size on microstructure of liquid-phase sintered silicon carbide / Y.-W. Kim, J.-Y. Kim, S.-H. Rhee [et al.] // J. Eur. Ceram. Soc. ― 2000. ― Vol. 20. ― P. 945‒949.
65. Sciti, D. Effect of annealing treatments on microstructure and mechanical properties of liquid-phase sintered silicon carbide / D. Sciti, S. Guicciardi, A. Bellosi // J. Eur. Ceram. Soc. ― 2001. ― Vol. 21. ― P. 621‒632.
66. Cheong, D. I. Effects of isothermal annealing on the microstructure and mechanical properties of SiC ceramics hot-pressed with Y2O3 and Al2O3 additions / D. I. Cheong, J. Kim, S.-J. L. Kang // J. Eur. Ceram. Soc. ― 2002. ― Vol. 22. ― P. 1321‒1327.
67. Фролова, М. Г. Композиционная керамика на основе карбида кремния, армированная волокнами карбида кремния : дис. ... канд. техн. наук / М. Г. Фролова. ― М., 2021. ― 140 с.
68. Watson, G. K. Effect of hot isostatic pressing on the properties of sintered alpha silicon carbide / G. K. Watson, T. J. Moore, M. L. Millard // Am. Ceram. Soc. Bull. ― 1985. ― Vol. 64. ― P. 208‒210.
69. Grosa, J. R. Sintering of nanocristalline powders / J. R. Grosa // International Journal of Powder Metallurgy. ― 1999. ― Vol. 35, № 7. ― P. 59‒66.
70. Янагида, Х. Тонкая техническая керамика ; пер. с япон. / X. Янагида. ― М. : Металлургия, 1986. ― 279 с.
71. Bhaduri, S. B. Recent developments in ceramic nanocomposites / S. B. Bhaduri // Journal of Metals. ― 1998. ― P. 44‒51.
72. Tokita, M. Progress of spark plasma sintering (SPS) method, systems, ceramics applications and industrialization / М. Tokita // Ceramics. ― 2021. ― Vol. 4, № 2. ― P. 160‒198.
73. Omori, M. Sintering, consolidation, reaction and crystal growth by the spark plasma system (SPS) / M. Omori // Materials Science and Engineering: A. ― 2000. ― Vol. 287, № 2. ― P. 183‒188.
74. Zhang, Z. H. The sintering mechanism in spark plasma sintering-proof of the occurrence of spark discharge / Z. H. Zhang // Scripta materialia. ― 2014. ― Vol. 81. ― P. 56‒59.
75. Hulbert, D. M. The absence of plasma in «spark plasma sintering» / D. M. Hulbert // Journal of Applied Physics. ― 2008. ― Vol. 104, № 3. ― Article 033305.
76. Анненков, Ю. М. Физическая модель искрового плазменного спекания керамики / Ю. М. Анненков, С. А. Акарачкин, А. С. Ивашутенко // Бутлеровские сообщения. ― 2012. ― Т. 31, № 9. ― С. 130‒137.
77. Токкита, М. Настоящее и будущее технологий спекания керамики в связи с разработкой метода электроимпульсного плазменного спекания (ЭИПС) / M. Токкита // Российские нанотехнологии. ― 2015. ― Т. 10, № 3/4. ― С. 80‒85.
78. Gutierrez-Mora, F. Influence of microstructure and crystallographic phases on the tribological properties of SiC obtained by spark plasma sintering / F. GutierrezMora, A. Lara, A. Munoz [et al.] // Wear. ― 2014. ― Vol. 309, № 1/2. ― P. 29‒34.
79. Riedel, R. Handbook of ceramic hard materials. Vol. 2 / R. Riedel. ― 1st ed. ― Weinheim: Wiley–VCH, 2000. ― P. 683‒748.
80. Hayun, S. Microstructure and mechanical properties of silicon carbide processed by spark plasma sintering (SPS) / S. Hayun, V. Paris, R. Mitrani [et al.] // Ceram. Int. ― 2012. ― Vol. 38, № 8. ― P. 6335‒6340.
Supplementary files
For citation: Belyakov A.N., Markov M.A., Dushkina D.A., Bykova A.D., Chekuryaev A.G., Kashtanov A.D. Comparative study of methods for obtaining silicon carbide ceramic materials. NOVYE OGNEUPORY (NEW REFRACTORIES). 2023;(6):13-26. https://doi.org/10.17073/1683-4518-2023-6-13-26
Refbacks
- There are currently no refbacks.