SiC陶瓷与Zn界面结合特性的第一性原理研究

低温焊接SiC陶瓷是金属/陶瓷连接领域非常重要的研究方向,而与之相关的理论研究相对匮乏,同时,通过实验手段难以描述金属/陶瓷界面原子之间的相互作用。为研究低温Zn基钎料与SiC陶瓷的界面结合方式,采用第一性原理方法,计算了Zn(0001)和SiC(0001)的表面能,6种不同堆垛方式的Zn(0001)/SiC(0001)界面模型的分离功,并分析了其中最稳定两种模型的电荷密度图、电荷密度差分图和Mulliken布局。结果表明:Zn/SiC界面只形成了Zn-Si离子键,Si终端孔穴型界面的Zn-Si键结合强度高于C终端孔穴型。     

SiCp/Al-Si复合材料中SiC/Si的晶体学位向关系

用TEM研究了离心铸造和挤压铸造的SiCp/ZL109复合材料,发现Si优先在SiC表面上形核、长大,并形成大量"界面Si"及SiC/Si界面.SiC与Si之间不存在固定的晶体学位向关系,但存在(1101)sic//(111)si,[1120]sic∥[112]si优先出现的位向关系,而(0001)sic∥(111)si不是优先出现的位向关系.     

晶格反演法构建SiC/Mg界面对势及其验证

通过分析SiC和Mg的晶体结构,构造了SiC与Mg的共格晶面。采用Chen-M9bius晶格反演法对SiC/Mg界面的原子对势进行了反演,分别推导了Si和Mg原子、C和Mg原子间作用势与界面结合能关系的解析表达式。在此基础上,从头计算了SiC/Mg界面的结合能曲线,结合反演公式得到了Si和Mg原子、C和Mg原子的对势函数,并对反演过程的自洽性进行了检验。此外,建立了其他6种不同的SiC/Mg界面构型,通过对比反演对势计算的界面结合能与从头计算的结果,对反演所得对势的可转移性进行了验证。结果表明:从头计算的界面结合能可以由反演对势精确地算出,整个反演过程和结果是自洽的,所得原子对势同样适用于其他界面构型,具有良好的可转移性。本文推导的反演公式同样适用于与SiC/Mg界面结构相似的其他界面原子对势的研究。     

BN/SiC复合界面层对SiC纤维和PIP-Mini复合材料力学性能的影响

采用化学气相渗透(CVI)工艺, 在SiC纤维表面沉积BN和BN/SiC复合界面层, 对沉积界面层前后纤维的力学性能进行了评价。采用聚合物浸渍裂解(PIP)工艺进行致密化, 制得以原纤维、BN界面层和BN/SiC界面层纤维增强的三种Mini-SiC_f/SiC复合材料, 研究其微观结构和拉伸性能。结果表明: 采用CVI工艺制得的界面层厚度均匀、结构致密, 其中BN界面层中存在六方相, 晶体尺寸为1.76 nm; SiC界面层结晶性较好, 晶粒尺寸为18.73 nm; 沉积界面层后SiC纤维的弹性模量基本保持不变, 拉伸强度降低。与SiC_f/SiC相比, PIP工艺制备的SiC_f/BN/SiC和SiC_f/(BN/SiC)/SiC-Mini复合材料所能承受的最大拉伸载荷和断裂应变明显提升, BN界面层起主要作用。由断面形貌分析可以看出, SiC_f/BN/SiC和SiC_f/(BN/SiC)/SiC复合材料的纤维拔出明显, 说明在断裂时消耗的能量增加, 可承受的最大载荷增大。     

SiC(Nicalon)/Al复合材料的界面性能

本文建立了国内第一台复合材料界面强度原位测试仪(ISISTI).对SiC(Nicalon)/Al复合材料中选定的单纤维进行了顶出测试,并对界面结合强度进行了分析.结果表明:SiC(Nlcalon)/Al复合材料的界面结合强度与复合工艺条件之间具有明显的对应关系.本文为进一步评价界面反应程度、指导复合材料工艺研究提供了有效的手段.     

基于第一性原理的α-Fe(001)/Mo2FeB2(001)界面性能的研究

采用第一性原理方法,研究了α-Fe(001)/Mo_2FeB_2(001)界面性能。建立了4种不同的原子堆垛方式界面模型,计算了其界面粘附功、界面结合能和断裂功。结果表明,以空心位置堆垛的Fe终端界面性能最稳定,而顶部位置的Fe+B终端界面性能最不稳定,两者的裂纹断裂均趋向于发生在基体相或硬质相内。在此基础上,进一步分析了空心位置Fe终端界面模型和顶部位置Fe+B终端界面模型的电子结构,电荷差分密度图显示在空心位置的Fe终端界面系统中,界面处Fe原子与Fe原子间形成金属键,界面处Fe原子与Mo原子间形成金属键。在顶部位置的Fe+B终端界面系统中,界面处的Fe原子与B原子间形成共价键,但界面强度比空心位置的Fe终端界面系统低。分态密度显示界面处原子间重新排列,发生杂化,形成共价键,揭示了界面成键特性。     

原始SiC颗粒表面及SiCP/Al复合材料界面化学状态的研究

本文采用X射线光电子谱(XPS)和俄歇能谱技术(AES)对原始SiC颗粒表面和粉末冶金法制备的SiC_P/Al复合材料界面的化学状态进行了研究.结果表明:原始SiC颗粒表面主要存在SiC、SiO₂、游离C、吸附氧、Fe₂O₃等;SiC_P/Al复合材料界面存在Mg偏聚和氧元素.由热力学分析可知,Mg元素能够向界面偏聚,并可能与界面处的氧反应生成MgO.     

常规铸造工艺条件下SiCp/Al-Si复合材料中的界面反应

采用搅拌复合法制备了10%SiC／Al—5Si—Mg，10%SiC／Al—7Si—Mg(体积分数)复合材料，研究了在常规铸造工艺条件下重熔后复合材料中的界面反应。通过透射电镜和能谱分析可知，SiC界面基本上都是单一的SiC／Al及SiC／Si界面，部分界面上有MgAl2O4颗粒相形成，由于基体合金中Si的存在，生成Al2C3的有害界面化学反应得到了抑制。对不同文献中抑制Al4C3产生所需临界Si含量实验测定结果的差异进行了分析。     

基体合金元素对SiC/Al界面结合影响的第一性原理及实验研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理及实验相结合的方法, 探讨了Al基体中分别掺杂Mg、Si、Cu合金元素对SiC/Al界面结合的影响, 重点考察了合金元素在界面偏聚时的电子结构和成键情况。研究表明: 在未掺杂Al/SiC体系界面结构优化时, 以Si原子为终止面的Brigde结构是最稳定的结合方式; 当合金元素分别替换界面处的Al原子后, 界面处原子的分波态密度、Muliken电荷及成键原子集居数等电子结构参数均有不同程度的变化, 这不仅增加了界面处 Si与Al原子结合, 同时也增强了界面处和亚界面处的Al基体和SiC增强相原子之间的相互作用, 使体系更加稳定, 界面黏着功均有不同提升; 其中掺Mg提升效果最明显, 其次为掺Cu和掺Si; 利用第一性原理计算的掺杂Al/SiC体系黏着功和实验值较为接近且变化规律相同。     

Mg对无压渗透制备Al/SiCp陶瓷基复合材料的影响

本文采用无压浸渗法,研究了Mg对Al/SiC.(SiC体积分数为40%-70%)陶瓷基复合材料制备及组织影响.结果表明,Al浸渗液中添加Mg可以显著提高铝液的浸润性,因为Mg扩散并富集于Al/SiCp界面,通过界面反应促使Al2O3膜的破裂降低界面张力,增加了铝合金液的流动性,而且Mg与骨架孔隙内的气氛反应形成负压,促...     

SiC(N)/LAS纳米陶瓷复合材料的介电特性

采用LAS玻璃粉末和激光诱导法制备的纳米SiC(N)粉体,通过热压烧结法制备了SiC(N)/LAS纳米陶瓷复合材料,研究了该复合材料在8.2~12.4GHz频率范围内的微波介电特性。结果表明,SiC(N)/LAS的介电常数主要受纳米SiC(N)粉体含量的控制,此外还与烧结温度有关。随着烧结温度的提高,复合材料介电常数和介电损耗均随之增大。SiC(N)/LAS对电磁波的损耗作用明显优于同体积分数的纳米SiC(N)与石蜡混合体,这与烧结过程中形成的碳界面有关。     

KD-S和KD-Ⅱ SiC_f/SiC复合材料的制备、微观结构及性能（英文）

以KD-S和KD-Ⅱ型碳化硅(SiC)纤维编织件为增强体,通过先驱体浸渍裂解工艺制备了以热解炭(PyC)为界面涂层的三维(3D)结构SiC_f/SiC复合材料,系统研究了SiC_f/SiC复合材料的微观结构及性能间的关系。结果表明:KD-S和KD-Ⅱ型SiC纤维均具有晶粒尺寸为8～15 nm的多晶结构;两种SiC_f/SiC复合材料的断口表面均出现了纤维拔出现象,说明两种SiC纤维增强的SiC_f/SiC复合材料均具有典型的伪塑性断裂行为。KD-S SiC_f/SiC复合材料的弯曲强度、弹性模量和断裂韧性分别达到(955.0±42.8) MPa,(110.3±1.7) GPa和(28.5±2.8) MPa·m~(1/2),明显高于KD-ⅡSiC_f/SiC复合材料,这归因于近化学计量比的KD-S型SiC纤维具有较高的模量和耐温性能。由于KD-S和KD-Ⅱ型SiC纤维的结构及成分差异,导致KD-S型SiC纤维表面的PyC界面涂层呈现光滑的多层有序结构,而KD-Ⅱ型SiC纤维表面的PyC为疏松颗粒状结构。     

碳化硅颗粒增强铝基复合材料的无压浸透反应机理探讨

为探讨SiCp/Al基复合材料无压浸渗反应机理,利用XPS鉴定了SiC预制体浸渗前沿界面上的反应产物结构.采用HRTEM研究了SiCp/Al基复合材料的界面结构.结果表明,浸渗与未浸渗部分之间的界面上存在MgO.Al2O3和ZnO诸化合物,没有发现氮的化合物.在SiC相与铝相的界面上仅存在MgAl2O4相,MgAl2O4相几乎连续地包敷在SiC颗粒上.这表明,高温下SiC与熔Al合金接触后,SiC颗粒表面上的SiO2与Al,Mg,Zn诸元素发生了放热反应,从而降低了表面张力,提高了湿润性.促进了自发浸渗.     

反应烧结法制备 SiC(w)/SiC 光学结构件复合材料

本文研究目的是制备一种与RB-SiC反射镜镜坯材料力学、热学性能匹配的高断裂韧性的镜框等光学构件材料(SiC(w)/SiC)。利用反应烧结法制备了SiC晶须增强SiC陶瓷复合材料(SiC(w)/SiCCMC)。测试了SiC(w)/SiC复合材料的主要力学性能和热学性能。结果表明,采用反应烧结法制备的SiC(w)/SiC复合材料具有良好的综合性能,其弯曲强度为243MPa;裂韧性值(KIC)从4.49MPa.m1/2提高到6.43MPa.m1/2,提高了43.2%;其热导率(125.3W/m·K)与RB-SiC陶瓷(119.3W/m·K)的热导率接近。初步探讨认为,SiC晶须的拔出、桥连现像和新生纳米SiC颗粒的存在是SiC(w)/SiC复合材料的主要增韧机理。     

考虑氧化损伤的陶瓷基复合材料弹性模量多尺度预测模型

分析了化学气相渗透(CVI)工艺制备的陶瓷基复合材料的氧化损伤演化规律,基于基体的微裂纹分布规律及界面、纤维、基体等组分氧化历程,建立了考虑温度、氧化时间影响的纤维和单胞两个尺度的弹性模量预测模型。预测结果表明,碳纤维(C_f)/SiC和SiC纤维(SiC_f)/SiC复合材料的拉伸弹性模量随氧化温度升高和氧化时间的增长,下降趋势越明显。通过复合材料高温氧化后的力学性能试验,验证了弹性性能预测模型的正确性:BN界面的SiC_f/SiC材料在1000℃不同时间氧化后预测结果与试验结果误差不超过2%;PyC界面的C_f/SiC在700℃不同时间氧化后预测结果与试验结果误差不超过7%。      

颗粒增强Al基复合材料的制备工艺及凝固过程

着重研究了颗粒增强Al基复合材料的搅拌法制备工艺及凝固过程。 通过对熔体搅拌法制备颗粒增强金属基复合材料的工艺优化进行探讨,最终用最简单的工艺过程制备出组织致密、颗粒分布均匀、界面结合良好的SiC、Al_2O_3、SiO_2颗粒增强Al-4％Mg复合材料。 SiC、Al_2O_3、SiO_2颗粒增强Al-4％Mg复合材料在等轴晶凝固条件下,颗粒被等轴晶排斥,出现颗粒推移,晶粒直径越大,颗粒分布越不均匀。在试验分析基础上,提出了颗粒推移的强烈程度由晶粒与颗粒的质量比决定的观点:同种颗粒,其直径越大,颗粒推移越不强烈;同样直径不同种类的颗粒,其密度越大,颗粒推移越不强烈。 AlO_3颗粒增强 Al-4％Mg复合材料的凝固组织中的显微缩孔是由颗粒加入导致熔体粘度增加、颗粒堵塞枝晶间的补缩流动通道以及颗粒与基体合金的热膨胀系数的差异三种因素引起的。由于气孔易在SiC颗粒表面形核,或者SiC颗粒与基体结合较弱,使得SiC颗粒增强Al-4％Mg复合材料比Al_2O_3颗粒增强Al-4％Mg复合材料易形成显微缩孔。对SiO_2颗粒增强Al-4％Mg复合材料来说,SiO_2颗粒与基体间发生了界面反应,一定量的Si溶入了基体,增大了基体的凝固潜热,从而提高了基体合金凝固时的补缩流动能力,所以SiO_2(P)/Al-4％Mg复合材料的凝固组织比同样条件下Al_2O_3(P)     

SiC/Fe界面固相反应模型

使用XRD、EPMA和SEM等研究了SiC/Fe界面固相反应产物的相组成、反应区的显微结构以及反应区中反应物原子的浓度分布。SiC/Fe界面固相反应形成Fe₃Si、Fe(Si)和石墨态C沉积物,Fe₃Si的形成为该反应提供了足够的热力学驱动力。1100°×3h热处理后,反应区由调整的C沉积物区/均匀的C沉积物区/无C沉积物区(从SiC侧至Fe侧)构成。建立SiC/Fe界面固相反应模型以解释SiC/Fe界面固相反应的微观机理。在SiC/Fe界面固相反应过程中,SiC分解是不连续的,从而在SiC界面前沿形成调整的C沉积物区独特结构。     

Ti/n型6H-SiC(0001)接触界面的研究

用同步辐射光电子能谱(SRPES)和X射线光电子能谱(XPS)的方法研究了Ti/n型6H-SiC(0001)的接触界面。Ti/n型6H-SiC(0001)样品采用磁控溅射的方法获得,然后将表面的Ti用氩离子刻蚀的方法慢慢刻蚀掉,Ti2p3/2用XPS测得,结合能从刻蚀时间为245 min的457.86 eV逐渐移动到刻蚀时间为255 min时的457.57 eV,移动约为0.3 eV。Si2p用同步辐射光测得,结合能从刻蚀245 min时的101.12 eV移动到干净的100.67 eV,峰形状未发生变化,表明Ti与衬底之间没有发生化学反应,SiC的价带发生弯曲,形成的势垒高度为0.89 eV。向SiC上蒸Si 2.5 min,退火30 min,观察LEED花样,发现当发射电流为30mA,能量37 eV时,SiC表面有√3*√3重构,发射电流为40 mA时,有6√3*6√3的重构。     

NiMgAl类水滑石制备条件研究

采用共沉淀法合成了不同摩尔投料比的NiMgAl类水滑石化合物.测定了Ni、Mg、Al单盐以及不同摩尔比的混合硝酸盐溶液的滴定曲线,考察了加料方式、晶化温度、晶化时间、原料配比对类水滑石合成的影响.通过XRD、IR对合成物进行表征,结果表明,在恒定pH值为8～9,n(Mg Ni)/n(Al)=1～3,n(Mg)/n(Ni)=8～16,晶化温度为65℃,晶化时间6h的条件下即得到晶相单=的NiMgAl-HTLcs;随n(Mg Ni)/n(Al)的增加,类水滑石结构的规整性提高,n(Mg)/n(Ni)比增加,层间距略有减小.     

拉曼面扫描表征氮掺杂6H-SiC晶体多型分布

采用物理气相传输法(Physical Vapor Transport, PVT)沿[0001]方向生长了一个直径为2英寸的氮掺杂6H-SiC晶体. 采用拉曼面扫描方法对晶体中多型的分布进行了细致表征, 研究了SiC晶体生长过程中多型的产生和演化. 在6H-SiC晶体中观察到了15R-SiC和4H-SiC两种多型. 在拉曼面扫描得到的晶体多型分布图上观察到了两类次多型结构区域, 一类是继承其生长界面上对应的次多型结构形成的次多型结构区; 另一类是由温度、压力等生长条件波动导致在6H-SiC主多型中出现的15R-SiC多型结构区. 第一类次多型结构区中掺入的氮元素较多, 载流子浓度较高, 并且随着晶体生长不断扩大; 第二类次多型结构区对晶体结晶质量的影响较小, 且提高生长温度可以抑制15R-SiC多型结构.