Spark Plasma Sintering of SiC and the Effect of Additives
Abstract
Silisiumkarbid (SiC) er et keramisk materiale kjent for sin utmerkede kombinasjon av egenskaper som høy hardhet, styrke, kjemisk og termisk stabilitet, noe som gjør det velegnet til bruk i ulike industrielle prosesser. Mange av egenskapene kommer imidlertid fra den høye graden av kovalent binding i materialet, noe som gjør SiC vanskelig å sintre uten bruk av sintringsadditiver. Denne studien ble derfor utført for å finne ut hva effekten av karbon (C) og borkarbid (B4C) har på fortetting av rent SiC sammen, og borkarbid alene. To pulverprøver mottatt fra Fiven Norge AS (SiC og SiC med 1 vekt% karbon-harpiks og 0,4 vekt% B4C) ble sintret ubehandlet, mens pulverprøven som inneholdt B4C som sintringsadditiv ble laget ved å blande SiC og B4C pulver. Alle pulverprøver ble gnistplasma-sintret ved 1900 °C med et påført trykk på 50 MPa i fem minutter med en oppvarmings-/avkjølingshastighet på 100 °C/min for å produsere sammenhengende prøver. De sintrede prøvene ble karakterisert for å bestemme tetthet, fasesammensetning, biaksial styrke, Vickers hardhet og estimert bruddseighet. Fasekarakterisering gjennom røntgendiffraksjon av det rene SiC-pulveret og de knuste sintrede prøvene viste tilstedeværelsen av polytypene 4H, 6H og 15R. Rietveld-analyse viser at 6H var den dominerende polytypen i både rent SiC-pulver og den sintrede prøven av SiC, mens tilsetning av sintringsadditiver økte mengden 4H, noe som indikerer at B4C stabiliserer 4H. En relativ gjennomsnittlig tetthet på 66,8 % på det rene SiC-pulveret ble oppnådd etter gnistplasma-sintring. Tilsetning av C og B4C sammen og B4C alene økte den gjennomsnittlige relative tettheten til henholdsvis 98,5 % og 97,8 %. Den sintrede SiC-prøven som inneholdt både C og B4C som sintringsadditiver hadde høyest biaksial styrke (182 MPa), Vickers hardhet (29 GPa) og estimert bruddseighet (2,1 MPa·m1/2). Mikrostrukturer til alle prøvene viser homogene prøver med transgranulære brudd. Mikrostrukturen til ren SiC avslørte åpen og sammenkoblet porøsitet, mens SiC med sintringsadditiver var tette med lukket porøsitet. En endring i gitterparametere fra Rietveld-analyse av diffraktogram fra synkrotron indikerer at den høye graden av fortetting av prøver som inneholder sintringsadditiver skyldes at bor har erstattet enten Si eller C i SiC-gitteret som forårsaker defekter som øker fortettingen. Denne studien viser lovende resultater angående effekten av bor på fortetting av SiC. Silicon carbide (SiC) is a ceramic material known for its excellent combination of properties including high hardness, strength, chemical and thermal stabilities, making it useful in diverse industrial applications. However, many of the properties come from the materials high degree of covalent bonding which makes SiC difficult to sinter without the use of sintering aids. This study was therefore conducted to determine the effect of carbon (C) and boron carbide (B4C) on the densification of highly pure SiC together, and B4C separately. Two powder samples received from Fiven Norge AS (SiC and SiC with 1 wt% Carbon-Resin and 0.4 wt% B4C) was sintered as-received whereas a powder sample containing B4C as sintering aid was made by mixing SiC and B4C powders. All powder samples were spark plasma sintered at 1900 °C with an applied pressure of 50 MPa for 5 min with heating/cooling rates of 100 °C/min to produce cohesive samples. The sintered samples were characterized to determine density, phase composition, biaxial strength, Vickers hardness and estimated fracture toughness. Phase characterization through X-Ray diffraction of the pure SiC powder and the crushed sintered samples showed the presence of the polytypes 4H, 6H and 15R. Rietveld refinements show that 6H was the dominating polytype in both pure SiC powder and the sintered sample of SiC, whereas addition of sintering aids increased the amount of 4H, indicating that B4C stabilises 4H. A relative mean density of 66.8 % was obtained after spark plasma sintering of the pure SiC powder. Addition of C and B4C together and B4C alone increased the mean relative density to 98.5 and 97.8 %, respectively. The sintered SiC sample containing both C and B4C as sintering aids had the highest biaxial strength (182 MPa), Vickers hardness (29 GPa) and estimated fracture toughness (2.1 MPa·m1/2). Microstructures of all samples show homogenous samples with transgranular fractures. The microstructure of pure SiC revealed open and interconnected porosity, whereas SiC with C+B4C and B4C as sintering aids were dense with closed porosity. A change in lattice parameters from Rietveld refinement of synchrotron diffractograms indicate that the high degree of densification of samples containing sintering aids can be due to boron (B) substitutes either silicon (Si) or C in the SiC lattice causing defects that increases densification. This study presents promising results on the effect of boron on the densification of SiC.