强电流干扰下的SiC晶型转变及其机理

Polytype transformation is a common sense in sintering of silicon carbide ceramics (SiC) but the basis of self-toughening the SiC ceramics. However, accelerated polytype transformation and correlated grain growth were observed in SiAlON bonded SiC ceramic SiC ceramics by passing a strong electric current through the ceramic bulks by spark plasma sintering. Cations, such as Al3+、Fe3+、Mg2+ etc segregating at the grain boundaries was also revealed. Considering the stacking faults perpendicular to the c-axes of the grain crystals as the only difference between the different SiC polytypes, it is presumable that the electrical double layers created by the cation segregation in combination of with the passing electric current could have determined adding Si-C atoms to the SiC surface to grow the grain, hence different polytypes and the rapid grain growth rates. Therefore, in this project the interaction between the electric current and the electrical double layers of the absorbed cations is proposed to explain the accelerated polytype transformation. Both molecular dynamics simulations and experimental research are used in the investigations. And the research results should help to deepen the understanding of the particular dissolve-reprecipitation phase transformation.

晶型转变是SiC陶瓷烧结过程中发生的基本现象，也是SiC陶瓷实现自韧化的基础。申请者在放电等离子烧结SiAlON结合SiC陶瓷试验中观察到强电流对SiC晶型转变及晶粒长大的不可思议的激励加速作用，而且SiC晶粒表面阳离子浓度明显偏高。而从晶体结构上看，不同SiC晶型之间的差别仅仅是垂直于c-轴的晶面排列不同数量的位错，因此怀疑Al3+、Fe3+、Mg2+等阳离子在SiC晶粒表面聚集形成的吸附电场与强电流共同作用下影响Si-C原子的堆垛行为，从而决定了产物的晶型结构和长大速度。本项目借助相变平均场理论及计算材料学的最新进展，采用第一原理分子动力学模拟与实验相结合的方法，研究强电流对阳离子界面吸附的影响，从而揭示电流干扰SiC晶型转变的机制。研究成果对理解陶瓷的溶解-沉淀型转变有重要意义。

SiC烧结伴随着晶型的转变，产生等轴晶或板状晶，深刻影响材料性能，但其机制还不清楚。本课题从金属离子在SiC晶粒表面吸附及其对层错能的影响入手，研究SiC晶型转变机理，重点研究强电流/电场对SiC晶型转变的影响。得到如下有意义的结果： .（1）SiC晶型的相对稳定性。虽然相图预测β-SiC是低温相，1950°C以上转变成α相，而α-SiC又有200多种多型体。但实际上SiC的晶型转变是由助烧剂和烧结气氛决定的。烧结助剂含Al2O3并在Ar中烧结时3C转变成6H；以Al-B-C为烧结助剂时产物为4H相；在N2中烧结或SiC晶粒所处的液相中含有N元素时，则发生逆转变，6H转变为3C相。 .（2）金属离子对SiC晶型转变的影响。研究不同价态16种金属离子（Li, Na, K; Be, Mg, Ca; Al, Y, Sm, Eu, Yb; Ge, Zr, Ta）对SiC晶型转变的影响。试验结果表明：Y、Ge两种元素最利于β→α-SiC转变而Na元素最不利于该转变。根据Avrami等式测算Y掺杂SiC的相变激活能和频率因数。 .（3）稀土对SiC晶粒的长大行为的影响。以Al2O3和RE2O3（RE = Ce, Sm, Gd, Yb, Y）为添加剂制备SiC陶瓷，研究结果表明：Ce等轻稀土有利于片晶的生长；Yb, Y等重稀土则促进等轴晶发育。 .（4）第一原理计算：电流/电场对SiC晶型转变的影响。使用从头算模拟程序计算阳离子的吸附电场对SiC的0001表面结构能量的影响。结果表明：吸附电场能够显著改变SiC层错能，3C-SiC对吸附电场更敏感，揭示出强电流/电场激励SiC晶型转变的原因。 .（5）掌握了增加SPS电流输出强度的技术，对SPS温度场、电流场进行了数字模拟。揭示了强电流对绝缘、半导体和导体陶瓷致密化和显微组织演变的影响机制；又拓展进行强电流对互扩散影响的研究，在TaC-ZrC、TaC-HfC固溶体烧结致密化方面取得了良好的验证效果。 .（6）据悉含Dy、Eu、Sm等稀土元素的SiC陶瓷在核堆中子吸收方面有重要应用前景，是新型核反应堆的关键候选材料，因此扩展了研究范围，增加了含稀土SiC陶瓷的耐超临界水腐蚀研究。