Механохимические аспекты активации и получение керамических материалов на основе карбида кремния

• Автор: Вихман, Сергей Валерьевич
• Шифр специальности: 05.17.11
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 164 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Е Аналитический обзор
1.Е Природа химической связи, электронное строение и некоторые
свойства БЮ
Кристаллическое строение карбида кремния
Термодинамика карбида кремния
Свойства карбида кремния
1.2. Активирование процессов массопереноса в материалах на основе 81С
1.3. Взаимная растворимость и свойства материалов системы БЮ-АПЧ
1.4. Свойства материалов на основе систем 81С-МсВ2, 81С-МеС
1.5. Выводы по аналитическому обзору .:.Т.:; . ,
2. Характеристика исходных материалов и методики исследований
2.1. Характеристика исходных материалов
2.2. Методики исследований
Обработка результатов эксперимента
3. М еханохими ческие методы активации процессов уплотнения материалов
на основе 81С
3.1. Механическая активация массопереноса в системе 81С-АМ
3.2. Химическая активация уплотнения материалов системы БЮ-АШ
3.3. Изучение взаимодействия в системах 8Ю-Ме1У"¥С
3.4. Исследование уплотнения и структуры материалов системы 8Ю-Т1В2
4. Свойства материалов систем БЮ-АПМ и 81С-ТШ2
4.1. Свойства керамических материалов системы 81С-А1Ч
4.2. Свойства керамических материалов системы 81С-Т1В2
4.3. Применение материалов системы 81С- ПВ2 при производстве керамики
инструментального назначения
ВЫВОДЫ
Список использованных источников
Приложение

ВВЕДЕНИЕ
Разрабатываемая в настоящее время керамика предназначена для службы в экстремальных условиях - при высоких температурах, в агрессивных средах, в условиях высоких динамических механических нагрузок. Керамическая технология направлена на создание материалов, в которых на стадии производства закладывается возможность регулирования их структуры, в свою очередь ответственной за обширный комплекс физикомеханических и электрофизических параметров. Основными структурными параметрами керамики, влияющими на ее свойства, являются фазовый состав, пористость и размер фазовых составляющих. Высокий уровень свойств новой керамики обеспечивается использованием специально изготовленных порошков, как правило, улътрадисперсных, т.е. с размером частиц (<0.1 мкм).
Материалы на основе карбида кремния, обладающего полупроводниковой природой и уникальным комплексом свойств - высокими теплопроводностью, твердостью, устойчивостью к действию химически активных сред и высоких температур, нашли широчайшее применение в огнеупорной, абразивной, машиностроительной промышленности, включая материалы для двигателестроения, в электронике и электротехнике. Свойства и назначение материалов на основе БЮ в значительной степени определяются природой остальных компонентов, входящих в материал. Композиционная керамика на основе систем БЮ-бескислородое соединение (карбид, нитрид, борид, силицид) наиболее перспективна при создании конструкционных материалов и материалов для электроники, способных служить при повышенных температурах.
Основной технологической задачей, которую необходимо решать при производстве материалов на основе ковалентных бескислородных соединений, в частности БЮ, является получение плотной керамики.

Электронное строение и кристаллохимические особенности SiC определяют не только высокий уровень его физических свойств, но и низкую диффузионную подвижность атомов в решетке SiC, что чрезвычайно замедляет процессы массопереноса при твердофазном спекании керамики на его основе, препятствуя формированию межчастичных контактов и получению беспористых материалов. Поэтому наиболее актуальной задачей, применительно к производству керамики на основе SiC, является поиск добавок и рациональное их введение, а также разработка технологических приемов, позволяющих существенно активировать диффузионные процессы при спекании и придающих получаемым гетерофазным материалам уникальный набор свойств.
Исследованию приемов, активирующих спекание материалов в системах SiC-AIN, SiC-MeC, SiC-TiB2, и свойств полученных материалов посвящена настоящая работа.
Существенно интенсифицировать диффузионный маесоперенос позволяют добавки, образующие твердые растворы с основой; для SiC в этой роли выступает A1N, который, растворяясь в SiC, вероятно, позволит получить полупроводниковый материал для высокотемпературной службы с большей, чем у карбида кремния шириной запрещенной зоны. Анализ имеющихся сведений о свойствах реализованных материалов позволяет дать следующие рекомендации при создании материалов на основе системы SiC-AIN: порошковые компоненты необходимо использовать в мелкодисперсном (ультрадисперсном) состоянии, что позволяет реализовывать благодаря соизмеримости путей диффузии с размером зерен компонентов объемную усадку на стадии спекания. Для дополнительной интенсифицикации диффузионных процессов следует подвергнуть порошки обоих компонентов высокоэнергетическому воздействию, например, барической обработке в камерах сверхвысокого давления, с целью наведения значительного числа

технологии. Двухслойные образцы из этих ТР подвергали ГП (Т=2100°С, Р=8,5 МПа, т=0.5 ч в среде N?), затем полученные диффузионные пары тер-мообрабатывали при Т=2100-2300°С, т=0.5-13 ч в азоте. 'Зону диффузионного взаимодействия определяли с помощью электронной микроскопии, состав ТР - рентгеновским микроанализом. Авторами [43] установлено, что диффузия SiC в ТР SiC-AlN лимитируется скоростью диффузии атомов Si, а диффузия AIN - А1, при этом коэффициент диффузии SiC (табл. 4) соответствовал Dsi в карбиде кремния (табл. 2). Энергия активации диффузии SiC в ТР SiC-AlN равнялась 632 кДж/моль [43].
В работах [44, 45] приведены данные о получении ТР 2/7-SiC-AlN при быстром пиролизе поликарбосиланов с азотсодержащими органическими соединениями алюминия (этилдиалкиламидом алюминия [44]) при температурах 1600-2000°С в среде азота или аргона.
Зангвил и Рах в [46], основываясь на своих экспериментальных данных и данных [31, 35, 39, 42], опубликовали диаграмму состояния (ДС) системы SiC-AlN (рис. 7). Из ДС следует, что при содержании A1N от 3 до 15% мол. в системе образуется ТР замещения на базе 4//-SiC [34, 46], при более высоком содержании A1N (>25% мол.) и Т>1900°С стабильным становится ТР - 5 со структурой 2Н на основе A1N [42, 46]. При температурах ниже 1800°С в системе отмечается существование двух типов ТР Si - на основе 2Н-SiC и Ô2 - на базе A1N [31], что по мнению авторов [46] является результатом крайней заторможенности диффузионных процессов, контролирующих образование ТР в системе SiC-AlN.
В работе [47] было рассмотрено влияние примеси кислорода на образование твердых растворов в системе SiC-AlN. При температурах выше 1800°С в системе образовывался ТР нитрида алюминия в карбиде кремния со структурой 2Н (исходные компоненты имели следующий политипный состав: SiC-2Н, ЗС - политипы, A1N -2/7 -политипы). Присутствие кислоро-