几种反应烧结碳化硅陶瓷材料的高温氧化行为研究
SiC陶瓷材料具有优异的高温强度、耐腐蚀性及良好的导电、导热性,作为高温结构材料、高级耐火材料和半导体材料广泛应用于工业生产.但是SiC作为非氧化物陶瓷在较高温度和腐蚀性环境中,不可避免地会发生氧化腐蚀.本文应用SiC氧化理论,系统地研究了SiC致密块、多孔SiC块和SiC泡沫的氧化行为. 在氧气氛中SiC致密块的氧化基本遵循抛物线规律,氧化过程受氧化膜中氧扩散过程的控制.SiC致密块中的残余Si熔出并氧化,是其比其它烧结SiC块和SiC单晶的氧化速率较高的主要原因.SiC致密块的氧化速率常数随着其中硅含量的增加而稍有增大. 多孔SiC的氧化过程分为氧化初期的快速增重阶段和缓慢氧化的平台阶段,以孔隙内的氧化为主.氧化动力学曲线符合渐近线规律,活化能随着孔隙率的增加而降低.多孔SiC的氧化过程受氧气向孔内扩散过程的影响.当氧气传输速率低于氧化反应速率时,氧化主要发生在孔口附近,氧化产物很快将孔堵塞,阻止内孔继续氧化.当所有的孔都被堵塞后,氧化只在外表面发生,氧化曲线出现平台.温度越高,孔内的氧化速率越高,孔越早被堵塞,孔内参与氧化的区域也就越少,从而使总氧化增重越少.与其它结构的SiC材料不同,多孔SiC的氧化增重随着温度的升高反而减小. 含硅SiC泡沫的筋具有Si芯/SiC/Si表面三层夹心结构,筋外的Si层包裹着SiC,阻挡氧使之不能与SiC直接接触.筋表层的Si影响SiC泡沫的氧化,氧化过程受氧在氧化膜内扩散的控制.SiC泡沫氧化动力学的抛物线速率常数随着孔隙率的增加而减小,随着孔径的增加而增大.泡沫结构对SiC的氧化有一定抑制作用. 除硅SiC泡沫的氧化分为筋内氧化和表面氧化两部分,两者比例相当.筋内氧化过程与多孔SiC块类似,分为快速增重阶段和氧化平台阶段,受氧气向孔内的气相扩散过程控制,氧化动力学符合渐近线规律.表面氧化过程与含硅SiC泡沫类似,氧化动力学满足抛物线关系,抛物线速率常数随着孔隙率的增加而减小,随着孔径的增加而增大. 莫来石涂层能降低SiC泡沫表面氧化膜的热膨胀系数,减少氧化膜的裂纹,提高氧化膜的完整性.预氧化处理促进氧化膜中无定形SiO2向方石英转变,提高氧化膜的晶化程度,降低氧通过氧化膜的扩散能力.把预氧化处理和莫来石涂层的保护作用结合起来,使SiC泡沫在整个氧化过程中具有较高的抗氧化能力.
- 作者：
- 郑传伟
- 学位授予单位：
- 中国科学院研究生院
- 专业名称：
- 材料加工工程
- 授予学位：
- 博士
- 学位年度：
- 2010年
- 导师姓名：
- 张劲松
- 关键词：
- 高温氧化；多孔陶瓷；泡沫陶瓷；反应烧结碳化硅；莫来石涂层
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