AlN掺杂SiC陶瓷的无压烧结及其热导率计算研究

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本论文采用B4C和C作为烧结助剂,无压烧结制备SiC-AlN复相陶瓷。研究了AlN添加对SiC陶瓷结构和性能的影响。研究发现:当AlN含量在0.5-10wt%时,陶瓷的致密度较高(~97%.TD);当AlN含量达15wt%时,其相对密度下降至91.6%,主要原因可能是由于AlN的分解挥发导致。AlN的添加促进SiC陶瓷由6H相向4H甚至2H相的转变。SiC-AlN固溶体的生成使得陶瓷的晶粒形貌由长柱状晶向等轴状晶转变,且随着AlN含量的增加,晶粒尺寸逐渐减小。AlN含量为15wt%时陶瓷的晶粒尺寸大于AlN含量为10wt%的陶瓷样品。SiC陶瓷的抗弯强度随着AlN的增加变化不大,介于310~380 MPa之间。SiC陶瓷的热导率随着AlN的增加迅速降低,从122.9W/(m·K)降低至47.1W/(m·K)。SiC陶瓷的伏安曲线呈现非线性电阻效应。在相同的外加电压下,当AlN含量从0.5wt%增加到10wt%时,样品的电阻率逐渐增大;当AlN含量从10wt%增加至15wt%时,样品的电阻率降低;根据交流阻抗谱分析,AlN含量的增加主要使得陶瓷样品的晶界电阻增大。  本论文利用Matarial Studio软件的CASTEP模块初步研究了6H-SiC的热性能。主要的计算结果为:6H-SiC的切向声子速度和法向声子速度分别为8.05×103m/s和1.28×104m/s。在低温时,6H-SiC的热容与温度的三次方(T3)成正比。当温度约800K以上时,6H-SiC的比热趋于常数~1.16 J/(g·K)。在高温极限下,6H-SiC的德拜温度~1200K。并利用晶格振动理论和声子速度计算得到6H-SiC的格林艾森常数为1.13。  本论文基于Klemens-Callaway理论,通过一系列的近似与简化,通过计算研究了AlN添加对SiC陶瓷热导率的影响,计算得到的结果与实验结果有着较好的匹配,说明了Al和N原子扩散进入SiC晶格中引起的点缺陷散射(AlSi,NC)是导致热导率降低的主要原因。  此外,本论文在两步烧结法(TSS)制备SiC-10wt% AlN陶瓷方面进行了初步的研究。结果发现,与常规无压固相烧结方法(TS)相比,两步烧结法可以制备得到致密的SiC陶瓷并有效地降低AlN的分解量;且对于10wt% AlN含量的SiC陶瓷,其热扩散系数相对于常规固相烧结提高了提高了13%;根据交流阻抗谱分析,相比于常规固相烧结,两步烧结法可以有效地提高SiC陶瓷的晶界电阻,但其机理有待进一步的研究。
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