碳化硅在硼玻璃中的腐蚀机理及防护

发布时间：2017-05-10 14:06

  本文关键词：碳化硅在硼玻璃中的腐蚀机理及防护，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：碳化硅/硼玻璃复合材料在由于其优良的性质而可以在机械、电子、磨削、封装等行业发挥重要作用。向硼玻璃中加入碳化硅可以提高陶瓷的耐磨性,硬度,热导率并降低热膨胀系数。然而,在复合材料烧结的过程中碳化硅的腐蚀会产生大量的气体产物,如Si O,CO,CO2等,这些气体产物会在复合材料中产生气孔,降低复合材料的强度,增加内部热阻,并严重制约着碳化硅/硼玻璃复合材料的应用。本文使用硼玻璃为结合剂,并采用向复合材料添加活性添加剂和在碳化硅表面镀覆镀层的方法来抑制碳化硅在烧结过程中的腐蚀。本文所使用的硼玻璃的最佳烧结条件是800oC保温120 min,此时硼玻璃抗折强度最大为126 MPa,体积膨胀率最小为-32%,热膨胀系数为8.76×10-6。碳化硅在硼玻璃中的腐蚀是在630oC开始。首先,碳化硅表面被氧化为二氧化硅,然后二氧化硅溶解在硼玻璃中,碳化硅在氧和硼玻璃的共同作用下被持续腐蚀。氧和硼玻璃是碳化硅持续腐蚀的必要条件。在添加了25-65 vol.%碳化硅的复合材料中,抗折强度最高为39 MPa,体积膨胀率最低为18.8%,致密度最大为48%,热导率最高为0.13 W/(m·K),热膨胀系数最小为4.43×10-6。活性元素钛、铝、硅、锌能吸收复合材料中的氧,使腐蚀过程因为缺氧而终止。不仅如此,活性元素的氧化产物均可以进入并强化硼玻璃的网络结构。当活性元素钛、铝、硅、锌过量时,多余的活性元素会在复合材料中分别生成金红石型氧化钛,γ-Al2O3,方石英和硅锌矿,这些化合物都会因其热膨胀系数与硼玻璃失配而使复合材料内部产生缝隙和裂纹。因此,活性元素钛、铝、硅、锌各自最佳的加入量分别为4 wt.%,4 wt.%,6 wt.%,6 wt.%。复合材料当添加4 wt.%硅时机械性能和热性能最好。当Si C加入量为55 vol.%时,碳化硅/硼玻璃复合材料热性能最佳,此时加硅的复合材料热导率为15.9 W/(m·K),热膨胀系数为4.21×10-6。而添加钛、铝、锌的复合材料热导率分别为11.5,13.5和12.9 W/(m·K),热膨胀系数为4.48,4.56和4.53×10-6。本文使用真空热反应的方法在Si C表面镀覆了一层Ti C-Ti5Si3-Ti Si2梯度涂层,具体方法是在真空环境下750oC加热Si C和Ti H2的混合物1 h。所获得镀层厚度约为200 nm。梯度涂层的成分从镀层表面到Si C表面依次是Ti C→Ti5Si3+Ti C→Ti Si2+Ti5Si3+Ti C。通过计算可知,梯度涂层与Si C之间的界面结合强度为180.2 MPa。镀覆过的Si C制备的复合材料在800oC保温120 min的烧结条件下取得最佳性能。当Si C含量为55 vol.%时,复合材料的热导率最高,此时其抗折强度为57.3 MPa,热导率为14.2 W/(m·K),热膨胀系数为4.98×10-6;而相应的原始Si C制成的复合材料性能分别为39 MPa,0.13 W/(m·K)和4.76×10-6。为了进一步提高镀层对碳化硅的保护效果,本文在梯度涂层表面使用电沉积的方法沉积了一层Mn O2。Ti C-Ti5Si3-Ti Si2镀覆的Si C在1 mol/L的KMn O4水溶液中,电压5 V,电流0.2 A,p H保持在5.5-7,电沉积2 h后获得Ti C-Ti5Si3-Ti Si2/Mn O2复合镀层镀覆的Si C。这复合镀层均匀完整,没有开裂的现象。复合镀层镀覆的Si C抗腐蚀能力比梯度涂层好,在同等烧结条件下能获得更高的抗折强度和更小的体积膨胀率。在Si C含量为55 vol.%时,两种镀层镀覆的Si C制备的复合材料热导率最高,此时,由复合镀层镀覆的Si C制备的封装材料抗折强度为71 MPa,致密度为82%,热导率为15.6 W/(m·K),热膨胀系数为4.89×10-6,而对应的梯度涂层制备的复合材料性能分别为57.3 MPa,78%,14.2 W/(m·K),4.98×10-6。
【关键词】：碳化硅 硼玻璃 腐蚀 活性添加剂 镀层
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB332
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第1章 绪论11-27
• 1.1 碳化硅的性能及应用11-14
• 1.2 电子封装材料的种类及特征14-16
• 1.3 金刚石或者碳化硅复合的封装材料16-21
• 1.3.1 复合材料的热膨胀系数和热导率16-18
• 1.3.2 金刚石或碳化硅强化的封装材料研究现状18-21
• 1.4 碳化硅的氧化特性21-25
• 1.4.1 碳化硅氧化特性21-22
• 1.4.2 国内外研究现状22-23
• 1.4.3 本文所采用的方法及机理23-25
• 1.5 本文研究的内容及意义25-27
• 第2章 碳化硅在陶瓷中腐蚀特性的研究27-39
• 2.1 本实验中所使用的硼玻璃的成分及特征27-31
• 2.2 碳化硅硼玻璃复合材料的性能31-34
• 2.3 碳化硅在硼玻璃中氧化机理的确定34-38
• 2.3.1 碳化硅硼玻璃TG34-35
• 2.3.2 800 oC烧结 30 min的样品中碳化硅表面特征分析35-38
• 2.4 本章小结38-39
• 第3章 活性添加剂对碳化硅在陶瓷复合材料中的保护39-75
• 3.1 活性添加剂的选择依据39-42
• 3.2 活性添加剂的效果42-67
• 3.2.1 活性添加剂钛对提高碳化硅抗腐蚀能力的效果42-46
• 3.2.2 活性添加剂铝对提高碳化硅抗腐蚀能力的效果46-51
• 3.2.3 活性添加剂硅对提高碳化硅抗腐蚀能力的效果51-58
• 3.2.4 活性添加剂锌对提高碳化硅抗腐蚀能力的效果58-67
• 3.3 活性添加剂对改善复合材料封装性能的综合分析67-73
• 3.4 本章小结73-75
• 第4章TiC-Ti_5Si_3-TiSi_2梯度涂层对碳化硅在陶瓷复合材料中的保护75-93
• 4.1 TiC-Ti_5Si_3-TiSi_2镀层的制备75-77
• 4.2 TiC-Ti_5Si_3-TiSi_2镀覆的SiC的特征77-85
• 4.3 TiC-Ti_5Si_3-TiSi_2镀层对SiC在硼玻璃中烧结时的保护效果85-89
• 4.4 TiC-Ti_5Si_3-TiSi_2镀层对封装材料性能的作用89-92
• 4.5 本章小结92-93
• 第5章TiC-Ti_5Si_3-TiSi_2/MnO_2复合镀层对碳化硅在陶瓷复合材料中的保护93-105
• 5.1 制备方法93-95
• 5.2 TiC-Ti_5Si_3-TiSi_2/MnO_2复合镀层的特征95-99
• 5.3 TiC-Ti_5Si_3-TiSi_2/MnO_2复合镀层的效果99-103
• 5.4 本章小结103-105
• 结论105-106
• 参考文献106-121
• 攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果121-123
• 致谢123-124
• 作者简介124

【参考文献】

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本文编号：354885