机械合金化Si-B-C-N系非晶陶瓷的微观结构与晶化动力学研究

Si-B-C-N ceramics attract great attention in recent years, since they don’t crystallize at 1700℃, their viscosity factors at 1500℃ are six orders higher than fused quartz, and they have excellent structural stability, creep resistance and oxidation resistance. However, it is still debatable whether the ceramics consist of randomly distributed atoms or amorphous clusters, and the crystallization kinetic parameters are scarcely reported, seriously depressing the study and application of the amorphous ceramics. In this project, it is planned to use cheap inorganic powders as raw materials, and employ mechanical alloying technique to prepare amorphous Si-B-C-N ceramics with various chemical compositions. Careful investigation will be carried out for the microstructure of the amorphous ceramics, including the distribution of chemical elements and bonds, the short-range and medium-range ordering of atoms, the structure and distribution of clusters, as well as the evolution of the microstructure when the amorphous ceramic is heated. Following that, it will go into details to investigate the crystallization mechanism and various crystallization kinetic parameters, including crystallization temperature, crystallization incubation period, nucleation rate and grain growth rate. The influence of the chemical composition on the microstructure and crystallization kinetic parameters will also be revealed. Findings will provide theories and experimental data for the deep understanding of amorphous structure, the development of crystallization theory, the control of the microstructure and properties, and the product development of the Si-B-C-N amorphous ceramics.

Si-B-C-N系非晶陶瓷在1700℃不结晶，在1500℃时的粘滞系数比熔石英高6个数量级，具有优异的高温结构稳定性、抗蠕变和抗氧化等性能，成为陶瓷材料领域研究的热点之一。然而，该非晶陶瓷的微观结构尚无定论，晶化动力学参数鲜有文献报道，严重阻碍了非晶陶瓷的理论研究与应用开发等工作。针对上述问题，本课题拟以廉价的无机粉末为原料，采用机械合金化工艺制备具有不同化学成分的Si-B-C-N系非晶陶瓷。系统研究非晶陶瓷的元素与化学键分布、原子短程与中程有序性、团簇构成与分布等微观结构特征，以及微观结构在加热过程中的演变规律；深入研究非晶陶瓷的晶化机理和起始结晶温度、结晶孕育期、形核速率、晶粒生长速率等晶化动力学参数；揭示化学成分差异对非晶陶瓷微观结构和晶化动力学参数的影响规律。为Si-B-C-N系非晶陶瓷结构本质的深入理解、晶化理论的完善、组织与性能的控制、产品的开发应用等工作奠定研究基础。

航空航天、冶金、能源等技术的飞速发展，对高温材料的性能提出了越来越高的要求。例如，高超声速飞行器在大气层中飞行时，热结构材料面临严酷的热震、烧蚀和气流冲刷等服役环境。科技的发展迫使人们不断研制开发各种高温新材料。近年来，Si-B-C-N系非晶陶瓷因其优异的组织稳定性、抗蠕变和抗氧化等性能而成为先进陶瓷领域的研究热点之一。对该陶瓷的深入研究有助于加深人们对非晶结构本质、相平衡、原子扩散等问题的理解，有助于寻找控制材料组织，提高材料性能的理论和方法，具有重要的理论意义和实际应用价值。. 本项目主要研究了Si-B-C-N系非晶陶瓷粉体的合成工艺、块体陶瓷及陶瓷基复合材料的成型与烧结工艺。系统研究了陶瓷的微观结构及其热稳定性，研究了陶瓷的组织演变规律与晶化动力学过程。研究了工艺参数、化学成分等因素对陶瓷组织及性能的影响规律。研究了陶瓷基复合材料的组织结构和耐烧蚀性能。结果表明，非晶陶瓷粉体优化的球磨工艺为400-600rpm/20:1-40:1/20-40h。非晶组织中同种化学键团簇尺寸约为20-80nm。非晶陶瓷的起始结晶温度约为1800oC，热压条件下约为1450oC。非晶及纳米陶瓷优化的烧结成型工艺为1800-2000oC/40-80MPa/0.5-2h。纳米陶瓷中SiC、BN(C)晶粒的尺寸分别约为20-100nm和10-50nm。Cf/Si-B-C-N复合材料可满足瞬时寿命、有限寿命和长寿命等不同服役条件的使用要求。通过本项目的实施，截至目前，可以在实验室环境中，稳定地小规模制备多种成分的Si-B-C-N系非晶陶瓷粉体；可以稳定地制备非晶及纳米块体陶瓷；可以稳定地设计、制备多种高性能Cf/Si-B-C-N陶瓷基复合材料。本项目的研究结果为Si-B-C-N系非晶陶瓷的开发应用奠定了坚实的基础，为非晶陶瓷、玻璃态物质的本质等研究提供了可以参考借鉴的方法、知识、理论和原始数据积累。