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    寧波材料所制備出新型碳化硅陶瓷致密化燒結助劑
    2018年08月21日 17:05:00  來源:寧波材料技術與工程研究所    字體大小[]

      碳化硅陶瓷作為現代工程陶瓷之一,其硬度僅次于金剛石,具有熱膨脹系數小、熱導率高、化學穩定性好、耐磨性能高、在高溫下仍具有良好力學性能和抗氧化性能等突出的物理化學性質,成為最具發展前景的結構陶瓷,可以廣泛應用于石油化工、冶金機械、微電子器件和航空航天等領域。同時,SiC還具有低的中子活性、良好的耐輻照損傷能力和高溫結構穩定性等優點,成為新一代核裂變以及未來核聚變反應堆中的重要結構材料之一。 

      然而,碳化硅是強共價化合物,原子擴散能力低,因此在高溫下很難燒結致密。為了促進燒結、降低燒結溫度,通常需要添加高溫燒結助劑來實現,如以Al-B-C-B4C為主的固相燒結助劑體系,和以Al2O3-Y2O3,AlN-Re2O3(其中Re2O3通常是Y2O3、Er2O3、Yb2O3、Sc2O3、Lu2O3等稀土元素的氧化物)為主的液相燒結體系。大量燒結助劑的使用會造成碳化硅陶瓷高溫強度下降和熱學性質惡化,因此探索合適的碳化硅陶瓷燒結法是陶瓷學界關注的重點。 

      另外,陶瓷常規工藝均采用粉末冶金的方法實現燒結助劑和基體陶瓷粉體的混合,該方法存在著添加劑混合不均勻、球磨介質雜質引入等缺點。傳統的球磨混合法只是達到了所添加燒結助劑在碳化硅粉末中的隨機分散,從單個碳化硅顆粒微觀角度來說并未達到均勻接觸燒結助劑。如何實現燒結助劑均勻分布于待燒結的碳化硅晶粒界面,這對于陶瓷致密化動力學過程起著至關重要的作用。 

      中國科學院寧波材料技術與工程研究所核能材料工程實驗室(籌)前期研究中子吸收硼化物陶瓷發展出顆粒表面包裹的新技術(Journal of European Ceramic Society, 2017,37(15), 4524-4531;Journal of American Ceramic Society, 2018, 101(9), 3780-3786),該方法突破傳統的陶瓷球磨工藝效率低的難題,成功制備了亞微米級均勻分布的兩相復合粉體,合成燒結助劑均勻包裹碳化硼的核殼結構,對于低溫致密化燒結效果顯著。該方法對于纖維和晶須表面包裹MAX相陶瓷涂層也獲得了成功,顯示出良好的合成工藝普適性(Advanced Electronic Materials, 2018, 4 (5), 1700617; Journal of Materials Science, 2018, 53 (13), 9806-9815; Journal of American Ceramic Society,doi.org/10.1111/jace.15784)。 

        基于前期工作的積累,實驗室科研人員經過大量探索實驗,采用熔鹽法成功在SiC顆粒表面原位反應包覆可控Y3Si2C2涂層,制備出[email protected]3Si2C2核-殼結構的復合粉體。該[email protected]3Si2C2復合粉體通過在1700℃、45MPa的條件下的放電等離子燒結(SPS),成功實現了相對致密度為99.5%的SiC陶瓷,且其楊氏模量、維氏硬度、斷裂韌性、熱擴散系數以及熱導率也分別達到了451.7±48.4GPa、26.3±3.4Gpa、和145.9W/(m·K),表現出優異的宏觀性能。 

      在研究致密化機理時,核能材料工程實驗室研究人員發現Y3Si2C2涂層體現出低溫助燒高溫分解的有趣現象,最終Y3Si2C2涂層分解為Y金屬和SiC相,大部分Y會逸出碳化硅陶瓷晶界,少量Y同碳化硅表面的氧反應形成耐高溫的氧化釔晶界第二相。實驗室理論研究人員結合開展了詳細的Y-Si-C體系相圖的計算分析,利用相圖計算CALPHAD(CALculation of PHAse Diagrams)方法,發現Y:SiC成分比例為從1:4降低至1:6、再降低至1:8時,系統中Y3Si2C2相含量降低,同實驗觀察到的Y3Si2C2涂層厚度變化規律相符合。在計算的1100℃相圖中,SiC和Y3Si2C2穩定共存,而在高溫相圖中(1600℃和1700℃),Y3Si2C2不再穩定存在,SiC和液態液相共存,從而解釋了實驗燒結樣品中得到99.5%的SiC、而Y基本消失的現象。 

      該研究成果表明,具有三元層狀的Y3Si2C2材料可成為碳化硅陶瓷新型的燒結助劑,其具有低溫液相存在和高溫相分解的特性,能起到促進碳化硅陶瓷高溫燒結過程中晶粒重排和晶界處重結晶的效果。該科研成果已在線發表在《歐洲陶瓷學會期刊》上(Journal of European Ceramic Society, 2018,doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2018.07.054)。以上工作得到了國家自然科學基金(91426304)以及中科院戰略先導科技專項(XDA03010305)的資助支持。 

     

    圖1 掃描電子顯微鏡圖片和能譜分析顯示出Y3Si2C2良好包裹在SiC顆粒表面 

     

    圖2 掃描電子顯微鏡背散射照片揭示燒結碳化硅陶瓷斷面的形貌和元素分布 

     

    圖3 Y-Si-C三元系相圖:(a)Y:SiC成分比例為1:4、1:6和1:8時,系統相組成隨溫度的變化;(b)1100℃等溫截面;(c)1600℃等溫截面;(d)1700℃等溫截面

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