一种常压烧结抗辐照碳化硅陶瓷材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种常压烧结抗辐照碳化硅陶瓷材料及其制备方法。所述抗辐照碳化硅陶瓷材料包括碳化硅基体和原位固溶进入碳化硅晶格的

【技术实现步骤摘要】
一种常压烧结抗辐照碳化硅陶瓷材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种常压烧结抗辐照碳化硅陶瓷材料及其制备方法，属于碳化硅陶瓷领域。

技术介绍

[0002]在核能系统和空间中，材料容易遭受高能粒子的轰击，发生辐照硬化、辐照催化和辐照偏聚等造成材料相不稳定性，或者出现辐照生长、辐照肿胀等现象，从而导致器件故障。来自核聚变和核裂变、宇宙、太阳的高能粒子和射线对材料的辐照单粒子效应(SEE)，即单个高能粒子(如重离子、质子、中子等)入射到核保护材料或者航天用集成电路电子基片后，导致材料性状改变而失效。
[0003]碳化硅(SiC)陶瓷具有高强度、高硬度、高弹性模量、高耐磨、高导热、抗氧化以及抗腐蚀等优异性能，这一系列引入注目的优点使其在军事国防、核工业、航空航天等领域有重要的应用。特别地，由于SiC陶瓷具有低中子吸收截面，这使其可以应用于抗辐照系统，例如核能系统或航天空间用集成电路电子基板。但是SiC的自扩散性差以及强共价键的存在使其烧结性差，因此在SiC陶瓷烧结过程中往往需要加入烧结助剂使其致密化。碳化硅陶瓷的烧结方法可分为液相烧结和固相烧结。液相烧结SiC陶瓷需要加入氧化铝和/或稀土氧化物等较低熔点氧化物，但是低熔点限制了碳化硅陶瓷的高温应用，同时稀土元素具有的高中子吸收截面也限制了其在抗辐照系统中的应用。相对来说，固相烧结SiC陶瓷能够适应更高服役温度，然而固相烧结需要加入B4C
‑
C体系助剂。B4C中的B有
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B和
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B两种同位素，天然B中占80.2at％的
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B几乎不吸收中子，虽然只有约占19.8at％的
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B吸收中子，但是
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B吸收中子发生反应产生锂和高能α粒子，其反应方程式如下：据报道，该效应会导致固态烧结SiC陶瓷的膨胀，从而导致结构件的失效。

技术实现思路

[0004]第一方面，本专利技术提供一种常压烧结抗辐照碳化硅陶瓷材料。所述抗辐照碳化硅陶瓷材料包括碳化硅基体和原位固溶进入碳化硅晶格的
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B4C。原位生成的B4C容易固溶进碳化硅晶格，能以极少量的B元素使晶界能降至足够低，促进碳化硅陶瓷烧结致密化，克服了SiC的自扩散性差以及强共价键的存在使其烧结性差的缺陷。
[0005]其中，
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B4C占抗辐照碳化硅陶瓷材料的质量比为1wt％以下。本专利技术中原位产生的
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B4C含量很少，且
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B4C会与SiC发生固溶反应。综合作用下，样品中残余的
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B4C含量极少，因此在XRD中未观察到B4C的特征峰。一些技术方案中，通过控制硼酸的加入量，可以调节生成
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B4C的含量，使其生成量在样品中低于1wt％，实现碳化硅陶瓷烧结致密化。同时，控制
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B4C较少的用量还可以避免制备成本的增加。
[0006]较佳地，所述
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B4C占抗辐照碳化硅陶瓷材料的质量比为0.4
‑
1wt％。
[0007]较佳地，所述抗辐照碳化硅陶瓷的密度为3.1
‑
3.2g
·
cm
‑3，致密度为99％以上，抗弯强度为300
‑
500MPa。
[0008]第二方面，本专利技术还提供上述任一项所述的常压烧结抗辐照碳化硅陶瓷材料的制备方法。所述制备方法包括以下步骤：(1)将包括碳化硅粉体、硼源和碳源的原料混合均匀以制备混合浆料；(2)将混合浆料烘干并过筛或喷雾造粒得到原料粉体；(3)将步骤(2)所得原料粉体成型后真空脱粘处理，最后经过高温烧结得到碳化硅陶瓷材料。
[0009]本专利技术的制备方法为抗辐照碳化硅陶瓷材料的制备提供新的思路。具体地，本专利技术的制备方法通过高
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B丰度的硼酸引入
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B元素，其在真空脱粘的过程中可以分解为B2O3，生成的B2O3在烧结过程中会与加入的碳源发生反应生成
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B4C。相关反应方程式如下：2H3BO3＝3H2O+B2O3；2B2O3+7C＝B4C+6CO。所述制备方法中生成的B4C粒径极小，更容易固溶进碳化硅晶格中，因此能以极少量的B元素即可使晶界能降低至足够低，同时促进烧结致密化。同时，由于引入的硼源为
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B，不会与中子发生反应，可以避免固相烧结SiC陶瓷的膨胀。
[0010]较佳地，所述硼源为
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B丰度95～100％的硼酸。硼酸丰度过低，则
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B含量过高，这样烧结的样品会吸收大量的中子，造成结构件的损害。
[0011]较佳地，所述硼酸占碳化硅粉体的质量比为1.8
‑
4.5wt％。将硼酸含量控制在上述范围，使得将生成的
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B4C占抗辐照碳化硅陶瓷材料的质量比控制为0.4
‑
1wt％。
[0012]较佳地，所述碳源为炭黑、酚醛树脂和果糖中的一种或多种的混合物；所述碳源占碳化硅粉体的质量比为10
‑
16wt％。
[0013]较佳地，所述碳化硅粉体为6H
‑
SiC粉体。
[0014]较佳地，所述碳化硅粉体的粒径为0.1
‑
1.5μm。
[0015]较佳地，所述成型为干压成型和/或冷等静压成型；优选地，所述干压成型的压力为5
‑
50MPa，冷等静压的压力为150
‑
250MPa，保压时间为1
‑
5分钟。
[0016]较佳地，所述真空脱粘的温度为900
‑
1200℃，(最高温度)保温时间为30
‑
120分钟。
[0017]较佳地，所述烧结方式为常压烧结，所述烧结温度为2050
‑
2200℃，(最高温度)保温时间为0.5
‑
2小时。
[0018]较佳地，步骤(1)中的原料还包括粘结剂。所述粘结剂可为酚醛树脂、聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛中的一种或几种的混合物。作为优选，所述粘结剂为碳化硅粉体质量的10
‑
20wt％。
附图说明
[0019]图1为本专利技术一实施方式常压烧结抗辐照碳化硅陶瓷材料的XRD图；图2为本专利技术一实施方式常压烧结抗辐照碳化硅陶瓷材料的断口SEM图。
具体实施方式
[0020]通过以下具体实施方式并参照附图对本专利技术作进一步详细说明，应理解为，以下实施方式仅为对本专利技术的说明，不是对本
技术实现思路
的限制，任何对本
技术实现思路
未作实质性变更的技术方案仍落入本专利技术的保护范围。
[0021]以下示例性地说明所述抗辐照碳化硅陶瓷的制备方法。该方法选择使用极高
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B丰度的硼酸，利用其高温裂解产生
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B4C，从而促进SiC陶瓷的烧结致密化。
[0022]准备本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种常压烧结抗辐照碳化硅陶瓷材料，其特征在于，所述抗辐照碳化硅陶瓷材料包括碳化硅基体和原位固溶进入碳化硅晶格的
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B4C；其中，
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B4C占抗辐照碳化硅陶瓷材料的质量比为1wt%以下。2.根据权利要求1所述的抗辐照碳化硅陶瓷材料，其特征在于，所述
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B4C占抗辐照碳化硅陶瓷材料的质量比为0.4
‑
1wt%。3.根据权利要求1或2所述的抗辐照碳化硅陶瓷材料，其特征在于，所述抗辐照碳化硅陶瓷的密度为3.1
‑
3. 2 g
·
cm
‑3，致密度为99%以上，抗弯强度为300
‑
500MPa。4.根据权利要求1至3中任一项所述的常压烧结抗辐照碳化硅陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：（1）将包括碳化硅粉体、硼源和碳源的原料混合均匀以制备混合浆料；（2）将混合浆料烘干并过筛或喷雾造粒得到原料粉体；（3）将步骤（2）所得原料粉体成型后真空脱粘处理，最后经过高温烧结得到碳化硅陶瓷材料。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述硼源为...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈健，祝明，黄政仁，陈文辉，姚秀敏，陈忠明，刘学建，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：