強電流干擾下的SiC晶型轉變及其機理

《強電流干擾下的SiC晶型轉變及其機理》是依託哈爾濱工業大學，由劉利盟擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：強電流干擾下的SiC晶型轉變及其機理
• 依託單位：哈爾濱工業大學
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：劉利盟

項目摘要

晶型轉變是SiC陶瓷燒結過程中發生的基本現象，也是SiC陶瓷實現自韌化的基礎。申請者在放電等離子燒結SiAlON結合SiC陶瓷試驗中觀察到強電流對SiC晶型轉變及晶粒長大的不可思議的激勵加速作用，而且SiC晶粒表面陽離子濃度明顯偏高。而從晶體結構上看，不同SiC晶型之間的差別僅僅是垂直於c-軸的晶面排列不同數量的位錯，因此懷疑Al3+、Fe3+、Mg2+等陽離子在SiC晶粒表面聚集形成的吸附電場與強電流共同作用下影響Si-C原子的堆垛行為，從而決定了產物的晶型結構和長大速度。本項目藉助相變平均場理論及計算材料學的最新進展，採用第一原理分子動力學模擬與實驗相結合的方法，研究強電流對陽離子界面吸附的影響，從而揭示電流干擾SiC晶型轉變的機制。研究成果對理解陶瓷的溶解-沉澱型轉變有重要意義。

結題摘要

SiC燒結伴隨著晶型的轉變，產生等軸晶或板狀晶，深刻影響材料性能，但其機制還不清楚。本課題從金屬離子在SiC晶粒表面吸附及其對層錯能的影響入手，研究SiC晶型轉變機理，重點研究強電流/電場對SiC晶型轉變的影響。得到如下有意義的結果： （1）SiC晶型的相對穩定性。雖然相圖預測β-SiC是低溫相，1950°C以上轉變成α相，而α-SiC又有200多種多型體。但實際上SiC的晶型轉變是由助燒劑和燒結氣氛決定的。燒結助劑含Al2O3並在Ar中燒結時3C轉變成6H；以Al-B-C為燒結助劑時產物為4H相；在N2中燒結或SiC晶粒所處的液相中含有N元素時，則發生逆轉變，6H轉變為3C相。 （2）金屬離子對SiC晶型轉變的影響。研究不同價態16種金屬離子（Li, Na, K; Be, Mg, Ca; Al, Y, Sm, Eu, Yb; Ge, Zr, Ta）對SiC晶型轉變的影響。試驗結果表明：Y、Ge兩種元素最利於β→α-SiC轉變而Na元素最不利於該轉變。根據Avrami等式測算Y摻雜SiC的相變激活能和頻率因數。 （3）稀土對SiC晶粒的長大行為的影響。以Al2O3和RE2O3（RE = Ce, Sm, Gd, Yb, Y）為添加劑製備SiC陶瓷，研究結果表明：Ce等輕稀土有利於片晶的生長；Yb, Y等重稀土則促進等軸晶發育。 （4）第一原理計算：電流/電場對SiC晶型轉變的影響。使用從頭算模擬程式計算陽離子的吸附電場對SiC的0001表面結構能量的影響。結果表明：吸附電場能夠顯著改變SiC層錯能，3C-SiC對吸附電場更敏感，揭示出強電流/電場激勵SiC晶型轉變的原因。 （5）掌握了增加SPS電流輸出強度的技術，對SPS溫度場、電流場進行了數字模擬。揭示了強電流對絕緣、半導體和導體陶瓷緻密化和顯微組織演變的影響機制；又拓展進行強電流對互擴散影響的研究，在TaC-ZrC、TaC-HfC固溶體燒結緻密化方面取得了良好的驗證效果。 （6）據悉含Dy、Eu、Sm等稀土元素的SiC陶瓷在核堆中子吸收方面有重要套用前景，是新型核反應堆的關鍵候選材料，因此擴展了研究範圍，增加了含稀土SiC陶瓷的耐超臨界水腐蝕研究。