中國粉體網(wǎng)訊 碳化硅陶瓷作為現(xiàn)代工程陶瓷之一，其硬度僅次于金剛石，具有熱膨脹系數(shù)小、熱導(dǎo)率高、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐磨性能高、在高溫下仍具有良好力學(xué)性能和抗氧化性能等突出的物理化學(xué)性質(zhì)，成為最具發(fā)展前景的結(jié)構(gòu)陶瓷，可以廣泛應(yīng)用于石油化工、冶金機(jī)械、微電子器件和航空航天等領(lǐng)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(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，成為新一代核裂變以及未來核聚變反應(yīng)堆中的重要結(jié)構(gòu)材料之一。
然而，碳化硅是強(qiáng)共價化合物，原子擴(kuò)散能力低，因此在高溫下很難燒結(jié)致密。為了促進(jìn)燒結(jié)、降低燒結(jié)溫度，通常需要添加高溫?zé)Y(jié)助劑來實(shí)現(xiàn)，如以Al-B-C-B4C為主的固相燒結(jié)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(jié)體系。大量燒結(jié)助劑的使用會造成碳化硅陶瓷高溫強(qiáng)度下降和熱學(xué)性質(zhì)惡化，因此探索合適的碳化硅陶瓷燒結(jié)法是陶瓷學(xué)界關(guān)注的重點(diǎn)。
另外，陶瓷常規(guī)工藝均采用粉末冶金的方法實(shí)現(xiàn)燒結(jié)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(zhì)雜質(zhì)引入等缺點(diǎn)。傳統(tǒng)的球磨混合法只是達(dá)到了所添加燒結(jié)助劑在碳化硅粉末中的隨機(jī)分散，從單個碳化硅顆粒微觀角度來說并未達(dá)到均勻接觸燒結(jié)助劑。如何實(shí)現(xiàn)燒結(jié)助劑均勻分布于待燒結(jié)的碳化硅晶粒界面，這對于陶瓷致密化動力學(xué)過程起著至關(guān)重要的作用。
中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所核能材料工程實(shí)驗(yàn)室（籌）前期研究中子吸收硼化物陶瓷發(fā)展出顆粒表面包裹的新技術(shù)（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(tǒng)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(fù)合粉體，合成燒結(jié)助劑均勻包裹碳化硼的核殼結(jié)構(gòu)，對于低溫致密化燒結(jié)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(shí)驗(yàn)室科研人員經(jīng)過大量探索實(shí)驗(yàn)，采用熔鹽法成功在SiC顆粒表面原位反應(yīng)包覆可控Y3Si2C2涂層，制備出SiC@Y3Si2C2核-殼結(jié)構(gòu)的復(fù)合粉體。該SiC@Y3Si2C2復(fù)合粉體通過在1700℃、45MPa的條件下的放電等離子燒結(jié)（SPS），成功實(shí)現(xiàn)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(kuò)散系數(shù)以及熱導(dǎo)率也分別達(dá)到了451.7±48.4GPa、26.3±3.4Gpa、、和145.9W/(m·K)，表現(xiàn)出優(yōu)異的宏觀性能。
在研究致密化機(jī)理時，核能材料工程實(shí)驗(yàn)室研究人員發(fā)現(xiàn)Y3Si2C2涂層體現(xiàn)出低溫助燒高溫分解的有趣現(xiàn)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(yīng)形成耐高溫的氧化釔晶界第二相。實(shí)驗(yàn)室理論研究人員結(jié)合開展了詳細(xì)的Y-Si-C體系相圖的計(jì)算分析，利用相圖計(jì)算CALPHAD（CALculation of PHAse Diagrams）方法，發(fā)現(xiàn)Y:SiC成分比例為從1:4降低至1:6、再降低至1:8時，系統(tǒng)中Y3Si2C2相含量降低，同實(shí)驗(yàn)觀察到的Y3Si2C2涂層厚度變化規(guī)律相符合。在計(jì)算的1100℃相圖中，SiC和Y3Si2C2穩(wěn)定共存，而在高溫相圖中（1600℃和1700℃），Y3Si2C2不再穩(wěn)定存在，SiC和液態(tài)液相共存，從而解釋了實(shí)驗(yàn)燒結(jié)樣品中得到99.5%的SiC、而Y基本消失的現(xiàn)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(jié)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(jìn)碳化硅陶瓷高溫?zé)Y(jié)過程中晶粒重排和晶界處重結(jié)晶的效果。該科研成果已在線發(fā)表在《歐洲陶瓷學(xué)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(xué)基金（91426304）以及中科院戰(zhàn)略先導(dǎo)科技專項(xiàng)（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(jié)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(tǒng)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（粉體網(wǎng)編輯整理/橙子）
