中科院宁波材料所2020 JAC精选：原位反应液相烧结纳米碳化硅颗粒增韧铝硅碳复相陶瓷微观结构与性能研究

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研究背景

铝硅碳 (Al4SiC4) 是一种三元层状材料，其晶体结构为六方结构，空间群为P63mc (186)，可以看做是由Al4C3及SiC在 [0001] 方向上交替堆垛而成。Al4SiC4陶瓷与MAX相陶瓷类似，具有低密度 (3.03 g/cm3)，高熔点 (2080℃) 以及优良的抗氧化及耐腐蚀性能。其高温氧化时，表面可形成致密的氧化铝和莫来石保护膜，抑制其内部进一步的氧化，因此，在1800℃的高温氧化环境中，铝硅碳仍可稳定使用，是一种性能优异的耐高温材料。而且，其热膨胀系数6.2×10E-6/K与SiC的热膨胀系数 ~ 4.4×10E-6/K接近，因此，Al4SiC4还是一种潜在的核用SiC连接层材料。然而，纯Al4SiC4热导率和断裂韧性较低，为了进一步提高Al4SiC4陶瓷的热导率和断裂韧性，可通过原位反应的方法，引入纳米SiC颗粒对其进行增韧，并提升其导热性能。

内容简介

近日，中科院宁波材料所先进能源材料工程实验室以聚碳硅烷 (PCS) 和Al粉为原料，5 wt. % Y为烧结助剂，采用放电等离子烧结技术，通过原位反应烧结，在1650℃的低温下获得了相对密度为98.6%的高致密SiC/Al4SiC4复相陶瓷。通过微观结构演变过程的观察，揭示了SiC/Al4SiC4复相陶瓷力学和热导性能变化的规律。结果表明，在烧结过程中液相的形成促进了SiC和Al4SiC4的晶粒长大与物质迁移，大大降低了烧结致密化温度。同时，在晶界处形成的非晶相，进一步提升了SiC/Al4SiC4复相陶瓷的断裂韧性。

所得SiC/Al4SiC4复相陶瓷的维氏硬度 (16.3 GPa)，断裂韧性 (4.9 MPa×m1/2) 和热导率 [15.8 W/mK)] 相比较于纯Al4SiC4的硬度 (13.2 GPa)，断裂韧性 (2.16 MPa×m1/2) 和热导率 [7.8 W/(mK)] 有了显著的提高。该工作以题为“Fabrication, microstructure, and properties of SiC/Al4SiC4 multiphase ceramics via an in-situ formed liquid phase sintering”发表在Journal of Advanced Ceramics期刊上。近期，该SiC/Al4SiC4复合材料还成功应用于碳化硅陶瓷的连接层材料【J Eur Ceram Soc 2020, 40: 5172-5179】。

图文导读

图1 样品在不同温度烧结的相演变过程

图2 SiC/Al4SiC4在不同温度烧结典型断口SEM照片：(a) S1400; (b) S1500; (c) S1550; (d) S1600; (e) S1650; (f) S1650-C (不含 Y烧结助剂)

图3 不同温度烧结SiC/Al4SiC4复相陶瓷背散射SEM照片，显示出富Y的相分布情况：(a)和 (d) 1500°C；(b) 和 (e) 1600 °C; (c) 和 (f)1650 °C

图4  (a) S1650和 (c) S1650-C样品的压痕裂纹扩展显微照片；(a) S1650和 (d) S1650-C样品的典型断口SEM照片

表 1 不同烧结温度条件下SiC/Al4SiC4复相陶瓷及纯Al4SiC4的维氏硬度、弹性模量、断裂韧性及热导率

原文链接

https://link.springer.com/article/10.1007/s40145-020-0359-8

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