掺杂对碳化硅再结晶及其性能影响的基础研究

再结晶碳化硅（R-SiC）是目前为数不多的能在1600℃以上高温空气环境中长期使用的超高温结构材料之一，同时又是最具潜力的高温热交换材料和发热材料，应用前景广泛。本项目以提高R-SiC的高温力学性能和调控其导热和导电性能为目标，研究碳化硅颗粒表面氧含量及第二相掺杂对碳化硅再结晶行为的影响，用XRD、SEM、EDS、HRTEM等手段表征再结晶产物的界面结构及杂质离子的存在形式，用Monte Carlo方法模拟有氧和掺杂离子存在时SiC的再结晶行为,阐明再结晶过程中氧和其它掺杂离子对再结晶动力学和晶体生长的作用机理，探讨不同掺杂离子对R-SiC陶瓷的高温力学性能和导电导热性能的影响，揭示其强韧化机理和电热输运机理，进而获得高温强度好、热导率高、电阻率可调控的结构功能一体化R-SiC材料，为该材料在高温承载、热交换和制作高温发热元件等方面的应用奠定理论和技术基础。

再结晶碳化硅（RSiC）是目前为数不多的能在1600℃以上高温空气环境中长期使用的高温结构材料之一，同时又是最具潜力的高温热交换材料和电热材料，应用前景广泛。本项目以提高RSiC的高温力学性能和调控其导热和导电性能为目标，研究了碳化硅颗粒表面氧含量及第二相掺杂对碳化硅再结晶行为的影响，通过浸渍–裂解(PIP)法制备了高密度RSiC，采用高温熔渗法制备了RSiC-MoSi2复合材料，并对其力学、热学和电学性能进行了评价。研究结果表明：（1）不同SiO2含量的试样在相同再结晶温度下的质量损失均呈现出线性关系。发现SiC颗粒表面的氧化层存在活性氧化和隋性氧化两种机理，在一定条件下可实现SiC颗粒表面的“纯化”和表面球形化，但对再结晶过程有一定的抑制作用。（2）分别采用聚碳硅烷(PCS)/二甲苯(xylene)溶液和SiC/PCS/xylene浆料，通过浸渍–裂解(PIP)法制备出高密度RSiC，其体积密度达2.99 g/cm3、抗弯强度达163.2MPa。单一PIP法增密RSiC存在裂解产物的堵塞效应，对致密度的提高有限，但经再结晶处理后，可使PCS裂解生成的SiC再结晶，将堵塞的孔隙打开，突破了PIP工艺的限制，有利于获得高致密、高强度的RSiC。（3）在1500 ℃下RSiC陶瓷的氧化质量增加遵循抛物线规律，氧化速率常数为3.77 × 10–5 g2/(cm4∙h1)。RSiC陶瓷的室温抗弯强度随氧化时间增加呈现出先升后降的变化趋势，当氧化21 h时，材料的室温抗弯强度最高，达到87 MPa，比氧化前的70MPa提高了24%。氧化100 h后，材料的强度仍可保持氧化前的90%左右，表明RSiC陶瓷具有很好的抗高温氧化的能力。（4）第二相（NbC、TaC、WC、TiC、TiB2、ZrB2）掺杂对SiC颗粒生长存在高温固溶、液相诱导、溶解—析出等生长机制，通常能降低合成温度，改变晶体生长模式，对材料的强韧化和改善其电热传输性能有利。（5）采用高温熔渗技术制备的RSiC-MoSi2复合材料兼具优异的抗氧化性、较低的热膨胀系数和电阻率，是一种良好的高温结构材料和在1650℃下工作的高温电热转换材料，为RSiC材料的结构功能一体化奠定了技术基础。