再结晶碳化硅(RSiC)因其高纯度、优异的高温力学性能、耐腐蚀性、热稳定性等而广泛应用于高温窑具、冶金及尾气过滤、热交换及电热材料等苛刻领域中。但由于RSiC自身在烧成过程中不产生收缩的特征使得其致密度不高，且气孔基本为开口连通结构，导致其力学性能和抗氧化能力有限，难以满足日益发展的应用需求；并且高性能RSiC的关键制备技术仍掌握在国外少数企业中，致使价格高昂。综合近年国内外研究发现，对RSiC的烧成机制及杂质对其烧成性能的影响等相关研究较少，这些又是与RSiC显微结构极为相关的因素，进而影响到材料的相关性能，然而其极高的制备温度(普通RSiC的制备温度在2200～2450℃)导致对其细致系统研究较为困难。本文在这一大背景下，从RSiC的烧成机制及显微结构的变化等基本问题出发，逐步深入到原料杂质的影响机制，进而根据RSiC在应用中的不足开展其相关性能改善方面的研究。
研究了不同粒径及粒径组合的SiC压制体在不同温度下的再结晶过程，将其显微结构与其烧结机制、原料粒径组成、温度相互关联起来，分析了其再结晶机制并提出如何调控显微结构而优化材料性能的方法。研究表明RSiC在低温下(2350℃以下)以表面扩散、高温下(2350℃以上)以蒸发一凝聚为主要传质机制实现其再结晶；原料的粒径组成和烧成温度对RSiC的显微结构和晶体长大影响很大，单一粒径组成时晶体长大受温度影响较小，混合粒径时颗粒兼并显著，且随温度的升高颗粒兼并能力大幅提高，并造成晶体长大；调整原料粒径组成、烧成温度可实现RSiC的气孔率及孔径、性能等调控。
研究了SiC原料中最常见的杂质SiO2在不同含量及不同温度下对RSiC在烧成过程中失重、显微形貌及副产物形貌的影响。在再结晶条件下，SiO2以液相的形式包覆在SiC颗粒表面，并在SiO2/SiC的固液界面上与SiC反应产生气相SiO(g)和CO(g)产物，SiO(g)在界面进一步促进SiC的分解反应，造成比纯SiC再结晶更大的失重；这一过程使SiC在高温下的主要气相组成从纯SiC的SiC2(g)、Si2C(g)、Si(g)转变成高SiO(g)和CO(g)分压的组成，抑制了SiC的有效再结晶氛围，延长了RSiC正常的烧成时间；分析副产物的生长环境、形貌及生长速率，从侧面证明了失重及形貌分析关于SiO2杂质对SiC再结晶过程影响的合理性。
针对目前RSiC致密度和强度不高的现状，研究了以聚碳硅烷(PCS)为前驱体、聚合物浸渍-裂解法(PIP)和高温再结晶相结合的循环处理方法增加具有不同气孔率的RSiC的致密度。通过预氧化与高温处理相结合的方法可获得纯度较高的、对RSiC性能无害的SiC产物。用PCS/二甲苯(Xylene)溶液浸渍增密RSiC裂解后可得到结构均匀的材料，但效率较低；以SiC/PCS/Xylene浆料浸渍可大幅提高增密效率，但易形成表面致密、内部疏松的结构；单纯的PIP法因裂解产物堵塞导致增密最终致密度有限，而再结晶处理使裂解SiC经蒸发一凝聚过程沉积在初始RSiC上，打开堵塞的孔隙，突破了这一限制，有助于后续PIP的再开始；最后在商用最好的RSiC基础上通过3次PIP+再结晶处理成功制备出高密度、高强度的高性能RSiC材料。
针对RSiC因开口连通气孔结构而抗氧化能力不足的缺陷，利用直接熔渗法使MoSi2与SiC复合形成致密材料进行改善。熔渗温度下MoSi2熔体比较稳定，与SiC具有较好的润湿性和相容性，但仍部分分解，并与SiC反应形成Mo4.8Si3C0.6相；SiC与MoSi2之间的热膨胀系数差异较大致使冷却后材料内部产生裂纹，影响了其力学性能的提高；制备的RSiC-MoSi2复合材料兼具优异的抗氧化性、较低的热膨胀系数和电阻率，既可作为结构材料使用，还可用于高温发热元件，实现结构功能一体化。
- 作 者：
- 郭文明
- 学科专业：
- 材料学
- 授予学位：
- 博士
- 学位授予单位：
- 湖南大学
- 导师姓名：
- 肖汉宁
- 学位年度：
- 2012
- 研究方向：
- 语 种：
- chi
- 基金项目：
