摻雜對碳化矽再結晶及其性能影響的基礎研究

《摻雜對碳化矽再結晶及其性能影響的基礎研究》是依託湖南大學，由肖漢寧擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：摻雜對碳化矽再結晶及其性能影響的基礎研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：肖漢寧
• 依託單位：湖南大學

中文摘要

再結晶碳化矽（R-SiC）是目前為數不多的能在1600℃以上高溫空氣環境中長期使用的超高溫結構材料之一，同時又是最具潛力的高溫熱交換材料和發熱材料，套用前景廣泛。本項目以提高R-SiC的高溫力學性能和調控其導熱和導電性能為目標，研究碳化矽顆粒表面氧含量及第二相摻雜對碳化矽再結晶行為的影響，用XRD、SEM、EDS、HRTEM等手段表征再結晶產物的界面結構及雜質離子的存在形式，用Monte Carlo方法模擬有氧和摻雜離子存在時SiC的再結晶行為,闡明再結晶過程中氧和其它摻雜離子對再結晶動力學和晶體生長的作用機理，探討不同摻雜離子對R-SiC陶瓷的高溫力學性能和導電導熱性能的影響，揭示其強韌化機理和電熱輸運機理，進而獲得高溫強度好、熱導率高、電阻率可調控的結構功能一體化R-SiC材料，為該材料在高溫承載、熱交換和製作高溫發熱元件等方面的套用奠定理論和技術基礎。

結題摘要

再結晶碳化矽（RSiC）是目前為數不多的能在1600℃以上高溫空氣環境中長期使用的高溫結構材料之一，同時又是最具潛力的高溫熱交換材料和電熱材料，套用前景廣泛。本項目以提高RSiC的高溫力學性能和調控其導熱和導電性能為目標，研究了碳化矽顆粒表面氧含量及第二相摻雜對碳化矽再結晶行為的影響，通過浸漬–裂解(PIP)法製備了高密度RSiC，採用高溫熔滲法製備了RSiC-MoSi2複合材料，並對其力學、熱學和電學性能進行了評價。研究結果表明：（1）不同SiO2含量的試樣在相同再結晶溫度下的質量損失均呈現出線性關係。發現SiC顆粒表面的氧化層存在活性氧化和隋性氧化兩種機理，在一定條件下可實現SiC顆粒表面的“純化”和表面球形化，但對再結晶過程有一定的抑制作用。（2）分別採用聚碳矽烷(PCS)/二甲苯(xylene)溶液和SiC/PCS/xylene漿料，通過浸漬–裂解(PIP)法製備出高密度RSiC，其體積密度達2.99 g/cm3、抗彎強度達163.2MPa。單一PIP法增密RSiC存在裂解產物的堵塞效應，對緻密度的提高有限，但經再結晶處理後，可使PCS裂解生成的SiC再結晶，將堵塞的孔隙打開，突破了PIP工藝的限制，有利於獲得高緻密、高強度的RSiC。（3）在1500 ℃下RSiC陶瓷的氧化質量增加遵循拋物線規律，氧化速率常數為3.77 × 10–5 g2/(cm4∙h1)。RSiC陶瓷的室溫抗彎強度隨氧化時間增加呈現出先升後降的變化趨勢，當氧化21 h時，材料的室溫抗彎強度最高，達到87 MPa，比氧化前的70MPa提高了24%。氧化100 h後，材料的強度仍可保持氧化前的90%左右，表明RSiC陶瓷具有很好的抗高溫氧化的能力。（4）第二相（NbC、TaC、WC、TiC、TiB2、ZrB2）摻雜對SiC顆粒生長存在高溫固溶、液相誘導、溶解—析出等生長機制，通常能降低合成溫度，改變晶體生長模式，對材料的強韌化和改善其電熱傳輸性能有利。（5）採用高溫熔滲技術製備的RSiC-MoSi2複合材料兼具優異的抗氧化性、較低的熱膨脹係數和電阻率，是一種良好的高溫結構材料和在1650℃下工作的高溫電熱轉換材料，為RSiC材料的結構功能一體化奠定了技術基礎。