SiC/SiC复合材料高温力学性能研究

以聚碳硅烷为连续SiC陶瓷基体相的先驱体,三维四向SiC纤维预制体为增强相,采用聚合物先驱体浸渍裂解工艺制备了SiC纤维增强SiC陶瓷基(SiC/SiC)复合材料,分析表征了复合材料的组成、结构和力学性能.结果表明,SiC/SiC复合材料室温弯曲强度和断裂韧性分别为400 MPa和16.5 MPa·m1/2,优异的室温力学性能可以保持到1350℃.随着温度增加,弯曲强度基本不变,1350℃时因界面层受到破坏而断裂韧性稍有下降.     

不同粒度SiC颗粒低温制备SiC泡沫陶瓷的性能

以SiC陶瓷前驱体聚碳硅烷(polycarbosilane,PCS)为粘结剂、SiC微粉为填料、聚氨酯海绵为模板,低温制备出了SiC泡沫陶瓷.研究了SiC颗粒粒度和PCS含量对SiC泡沫陶瓷线收缩率、体积密度、微观结构与抗弯强度的影响.确定了不同粒度SiC颗粒制备泡沫陶瓷的最佳烧成温度.结果表明,随SiC颗粒粒度与PCS含量的增加泡沫陶瓷的线收缩率增大、体积密度降低;泡沫陶瓷的抗弯强度随SiC颗粒粒度的增大而降低;颗粒粒度小于1μm时,最佳烧成温度为1200℃,颗粒粒度大于1μm时,最佳烧成温度为1100℃;PCS在1100℃与1200℃热解可得到β-SiC晶粒,其晶粒尺寸为12.2 nm与19.6 nm.     

杂质和缺陷对SiC单晶导热性能的影响

目前关于SiC单晶室温的导热性能,以及导热特性随温度的变化方面的研究报道还存在较大的差异,有关SiC单晶热导率的研究主要是沿c轴<0001>晶向或者垂直于c轴的某一晶向进行的,无法有效地解释热导率的各向异性。本文研究了4H-SiC和6H-SiC单晶目前关于SiC单晶室温的导热性能,以及导热特性随温度的变化方面的研究报道还存在较大的差异,有关SiC单晶热导率的研究主要是沿c轴0001晶向或者垂直于c轴的某一晶向进行的,无法有效地解释热导率的各向异性。本文研究了4H-SiC和6H-SiC单晶■,■,0001三个不同晶向上热导率以及其随温度的变化。对SiC单晶切割分别得到沿■,■,0001晶向的样品,尺寸为■12.7 mm×3 mm,利用闪光法对样品测试得到热扩散系数,通过计算获得了SiC单晶不同晶向的热导率数值,采用辉光放电质谱仪(GDMS)和扫描电子显微镜(SEM)进行了杂质和缺陷表征。实验结果表明,SiC晶体■,■,0001三个晶向的热导率随温度升高而下降,沿0001晶向的SiC样品热导率最小;含有较高杂质离子浓度的6H-SiC样品热导率高于4H-SiC样品;缺陷相比杂质对SiC晶体导热性能影响更大,缺陷是SiC热导率具有各向异性的主要原因。     

新型SiC/SiBCN复合陶瓷的析晶性能

通过热解聚碳硅烷(PCS)和聚硼硅氮烷(PBS)两种有机先驱体混合物,制得非晶态SiC/SiBCN复合陶瓷,然后对复合陶瓷进行高温热处理,研究其析晶规律及影响因素.利用热分析(TG-DTA)、X射线衍射(XRD)及透射电子显微镜(TEM)分别研究先驱体的热解机理,先驱体的组成、热解温度和时间对SiC/SiBCN复合陶瓷结晶性的影响,以及复合陶瓷的微观结构.结果表明,先驱体的组成和热处理温度对复合陶瓷的析晶行为有重要影响.当PBS/PCS=1(w/w),1100 ℃/2 h制得非晶态SiC/SiBCN复合陶瓷;1400 ℃/4 h PCS热解转变的非晶SiC开始结晶,晶粒尺寸～3 nm;1500 ℃/4 h 得到产物的相结构为～10 nm 的SiC纳米晶均匀弥散在PBS热解得到的非晶态SiBCN中;1700 ℃/2 h SiC的晶粒尺寸～16 nm;1800 ℃/2 h非晶态SiBCN开始析晶,SiC晶粒尺寸～35 nm.     

氧化钙和氯氧化钇为助烧剂对碳化硅陶瓷性能的影响

采用YOCl/CaO为助烧剂常压烧结制备SiC陶瓷,研究助烧剂的配比及烧结温度对陶瓷的显微结构、热学性能及介电性能的影响.结果表明:在高温烧结过程中YOCl及CaO会与SiC发生置换还原反应,生成部分含钇化合物,对比各样品的热膨胀系数发现,在1800 ℃下烧结的YOCl/CaO=4:5的样品与常压烧结制备的纯SiC热膨胀系数α=4.0×10 -6相接近,而其它样品热膨胀系数与单晶硅的热膨胀系数α=2.62×10 -6较为接近,有望成为较好的封装材料.     

高品质6英寸N型4 H-SiC单晶生长研究

PVT法生长SiC单晶生长腔的温场分布是影响晶体质量的重要因素.采用数值模拟研究了保温层和坩埚结构以及线圈位置对6英寸SiC晶体生长温场的影响,优化出了适合高品质6英寸SiC晶体生长温场分布,在此条件下生长无裂纹的6英寸N型4H-SiC晶体.用高分辨率X射线衍射、拉曼光谱和缺陷检测系统对所加工的SiC衬底片的质量进行了表征.测试结果表明,晶型为单一的4H-SiC,微管密度小于1 cm-2,电阻率范围为0.02～0.022Ω·cm,X射线摇摆曲线半高宽为21.6″.     

Ar气氛下退火处理对6H-SiC晶片表面结构的影响

本文对物理气相传输法生长的三片2英寸掺氮6H-SiC晶片,分别在不同温度下进行退火处理.采用原子力显微镜(AFM)对SiC晶片表面结构进行表征,研究了不同温度和偏角度对SiC晶片表面结构的影响.发现Ar气氛下高温退火处理可以在晶片表面形成规则的台阶条纹,说明Ar气氛下的高温退火处理对SiC晶片表面有一定的刻蚀作用.     

烧结工艺参数对Al2O3/SiC陶瓷刀具材料微观结构及力学性能的影响

烧结工艺参数对陶瓷刀具材料的机械力学性能具有重要影响.利用正交试验法研究了烧结温度、烧结压力和保温时间三个工艺参数对Al2O3/SiC陶瓷刀具材料微观结构及力学性能的影响.用极差分析法对正交试验结果进行了分析.结果表明烧结温度是影响Al2O3/SiC陶瓷刀具材料机械力学性能最重要的因素,其次是烧结压力和保温时间;刀具材料的断口形貌表明烧结工艺参数,尤其是烧结温度对微观组织结构和力学性能具有重要影响.正交试验结果和微观组织结构形貌分析具有很好的一致性.     

(Ni1/3Nb2/3)1-xTixO2微波介质陶瓷的组织结构及微波介电性能

采用固相反应法制备金红石结构(Ni1/3Nb2/3)1-xTixO2 (NNTO)(0.3≤x≤0.5)微波介质陶瓷,通过XRD、SEM、网络分析仪和激光拉曼光谱研究了组分变化对NNTO陶瓷显微结构、晶体结构和介电性能的影响.研究结果表明,随着x值减小,NNTO陶瓷气孔率和平均孔径增大.Ni2+、Nb5+含量增大将导致钛氧八面体畸变程度增大,晶胞体积增大,振动键能增强.在两者影响因素的共同作用下,NNTO陶瓷介电常数减小,品质因数增大,谐振频率温度系数降低.当Ni、Nb的取代量的摩尔含量为0.3 mol时,经过1150℃,2h的烧结,所获得的NNTO陶瓷样品具有优异的微波介电性能:占r=69,Q×f=17431 GHz,τf=77 ppm/℃.     

(1-x)CaTiO3-xLaAlO3陶瓷的微波介电性能研究

通过传统的固相反应法制备了(1-x)CaTiO3-xLaAlO3陶瓷,系统地研究了LaAlO3含量的变化对陶瓷的晶体结构、微观结构和微波介电性能的影响.结果表明,LaAlO3含量的增加导致(1-x)CaTiO3-xLaAlO3陶瓷的晶格结构发生畸变,使得陶瓷的介电常数下降、Q·f值增加,并使其谐振频率温度系数向负值处发生偏移.LaAlO3的含量为x=0.33时,(1-x)CaTiO3-xLaAlO3陶瓷的烧结温度为1460℃,展示了良好的微波介电性能:εr=45.3、Q·f=36218 GHz、τf=-0.5 ppm/℃.     

基于正交实验的100 mm4°偏轴SiC衬底外延均匀性研究

采用行星热壁式SiC外延炉对100 mm 4°偏轴4H-SiC衬底外延工艺进行了研究.分析了氢气预刻蚀工艺对4°偏轴衬底外延材料表面形貌的影响.采用双指标正交实验,通过极差分析的方法研究了C/Si比、Cl/Si比、主氢流量、生长温度、三路气体比等工艺参数对SiC外延厚度和掺杂浓度均匀性指标影响的主次顺序,并给出了优化的外延参数.采用该工艺条件制得的无台阶聚集形貌的SiC外延片片内厚度均匀性和浓度均匀性分别是1.23;和3.32;.     

Al2O3/MgAl2O4共晶陶瓷定向凝固过程固液界面形貌的研究

采用有限元法计算模拟了Al2 O3/MgAl2 O4共晶陶瓷区域熔炼定向凝固过程固液界面形貌的演变,研究了熔区坩埚壁面温度、凝固速率对固液界面形貌的影响.结果表明,当熔区坩埚壁面温度从2090℃升至2290℃时,固液界面先由凸界面转为平界面,再转变为凹界面;固液界面前沿的温度梯度随之增大.当凝固速率从1×10-6 m/s升至1 x10-5s时,固液界面形貌无明显变化,而熔区长度有所增大.随着凝固过程的进行,熔区长度逐渐增大,凸固液界面的凸出高度逐渐变小.     

半绝缘SiC单晶生长和表征

使用升华法生长碳化硅(SiC)单晶,借助数值模拟方法优化温场,在不同条件下分别获得单一晶型的4H-SiC和6H-SiC单晶,利用拉曼光谱进行表征。采用V掺杂的方法,制备半绝缘SiC单晶,使用非接触式电阻率测试仪进行了测试,并对4H-SiC和6H-SiC电阻率进行了比较和分析。     

具有碳化硅纳米线编织结构的氧化铝泡沫陶瓷的制备及性能研究

本文利用简单、高效的浆料直接发泡法制备气孔率高达96%的Al₂O₃/Si泡沫陶瓷,并选用简便、易行的焦炭埋烧工艺在Al₂O₃/Si泡沫陶瓷坯体中生长出大量SiC纳米线。通过控制烧结温度来观察分析SiC纳米线的生长形貌变化。采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪、BET比表面积测试仪、电子万能试验机等对泡沫陶瓷的微观结构、物相组成、比表面积、气孔率、抗压强度、热导率进行分析与表征。结果表明,1 450 ℃烧结时得到的SiC纳米线最多,纳米线在泡沫陶瓷孔壁交织缠绕。同时观察到SiC纳米线的存在改变了氧化铝泡沫陶瓷固有的脆性断裂模式,SiC纳米线可有效促进泡沫陶瓷在压缩过程中的裂纹偏转。本实验制备了一种新型的纳米线缠绕在孔壁上的三维网络结构的泡沫陶瓷,为在泡沫陶瓷内部原位生长SiC纳米线提供了新的方法,更好地拓展了泡沫陶瓷在环境过滤、催化剂载体等领域中的应用。     

低温合成PSN微球及其裂解制备Si-C-N空心陶瓷微球

以含乙烯基聚硅氮烷(PSN)为先驱体聚合物,二乙烯基苯(DVB)为交联剂,采用乳液工艺,在低温条件下交联固化合成聚硅氮烷(PSN)微球,并在高温下裂解制得Si-C-N空心陶瓷微球.研究了原料比例、固化时间和裂解条件对PSN微球及Si-C-N空心陶瓷微球形貌、尺寸和形成过程的影响.结果表明,当PSN与DVB的比例为2∶1、固化时间为6h时,可在80℃下得到表面光滑、尺寸较均匀、直径为600～ 800 nm的PSN微球;Si-C-N陶瓷微球随着PSN与DVB比例的增加,逐渐显现出空心结构;1000～ 1200℃裂解后,空心球形成,XRD表明此时产物呈非晶态;裂解温度1400℃时,空心微球表面变得粗糙,生成Si3N4和SiC晶粒.     

高温高压退火对碳化硅性能的影响

以CVD生产的碳化硅为原料在高温高压下进行退火处理,探究退火温度对碳化硅性能的影响.实验结果表明:随着退火温度的增加,碳化硅的颜色由浅绿色变为无色;体积有明显的缩小、密度增加;退火后碳化硅的抗压强度显著增强,机械强度有所增加;退火后的SiC结构并没有发生变化,15R-SiC在798.6 cm-1处拉曼峰强度减少,4H-SiC在970 cm-1拉曼峰强度有所增强.     

高分辨X射线衍射法研究碳化硅单晶片中的多型结构

我们采用高分辨X射线衍射法对SiC单晶片中的多型结构进行了研究,研究发现在以4H-SiC为籽晶的晶体生长过程中,4H-SiC、6H-SiC、15R-SiC出现两相共存或三相共存现象.在单相、两相或三相共存区,X射线摇摆曲线具有明显不同的特征.根据多型结构,可以对摇摆曲线中的衍射峰进行鉴定.     

Si和6H-SiC衬底上β-FeSi2薄膜的制备

以6H-SiC (0001) Si面和Si(100)为衬底,采用磁控溅射Fe-Si合金靶和Si靶两靶共溅射的方法,并经过后续的快速退火成功制备了β-FeSi2薄膜.通过X射线衍射(XRD)、拉曼(RAMAN)和电子扫描电镜(SEM)研究了不同衬底对薄膜生长过程的影响.结果表明:与Si衬底不同,6H-SiC为衬底所生长的FeSix薄膜与衬底之间很难产生相互扩散,导致薄膜中的Si原子主要来源于靶材.同时分析不同退火温度对6H-SiC衬底和Si衬底上的FeSix薄膜的影响,并相比较.结果表明:不同衬底Si(100)和6H-SiC (0001) Si面所生长的薄膜经900℃退火时皆完全转化为多晶β-FeSi2相,其择优取向皆为(220)/(202),且随温度从500℃到900℃的不断上升,(220)/(202)衍射峰的强度增强,半高宽变小,得到900℃下的半高宽为0.33°.     

SiC衬底上外延石墨烯的氢插入及表征

使用热解法在4H-SiC硅面制备出单层石墨烯,而后将石墨烯置于氢气气氛下退火,使氢插入到缓冲层与SiC衬底之间.利用X射线光电子能谱对氢插入后的化学键变化进行了表征.样品的碳1s能谱中碳元素由SiC衬底、石墨烯及缓冲层共同构成.对不同氢气退火温度下各组分的强度进行采集与分析,并分别与相应的拉曼光谱数据进行对比.结果表明,低于800℃退火温度会造成氢插入的不完全,但当退火温度超过1200℃后,插入的氢将被释放.为获得较优的氢插入效果,需要选择1000℃左右的氢气退火温度.     

6H-SiC单晶生长温度场优化及多型控制

本文模拟了升华法生长6H-SiC单晶的不同温度场,并进行了相应的生长实验.结果表明:改变石墨坩埚和感应线圈的相对位置,可以改变温度场形状;下移石墨坩埚;可以增大温度场径向温度梯度.在不同的径向温度梯度下,6H-SiC晶体分别以凹界面、平界面和凸界面生长.晶体生长界面的形状和速率影响晶体多型的产生,在平界面,生长速率小于300μm/h的晶体生长条件下,可获得无多型的高质量6H-SiC单晶.