[發明專利]一種氮化硅被動氧化層厚度確定方法

有效

• 申請號: 201611162293.9
• 申請日: 2016-12-15
• 公開（公告）號: CN106816395B
• 公開（公告）日: 2019-06-18
• 發明（設計）人: 張贏;羅曉光;俞繼軍;鄧代英
• 申請（專利權）人: 中國航天空氣動力技術研究院
• 主分類號: H01L21/66
• 分類號: H01L21/66
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 龐靜

一種氮化硅被動氧化層厚度確定方法，本發明針對氮化硅(Si₃N₄)材料的氧化過程，建立了含氣體邊界層、全致密表面SiO₂氧化層、多孔SiO₂氧化層和原始材料層的Si₃N₄材料氧化模型。采用熱重分析儀等溫氧化實驗技術，獲得了氮化硅材料在1273?1873K溫度下的氧化增重及氧化層厚度增長曲線。研究結果表明，理論預測氧化層厚度增長曲線與實驗結果吻合良好，且優于Marschall氧化模型的計算結果，所建立的氧化層模型能夠較好地捕捉氧化層厚度增長行為。

技術領域

本發明涉及一類熱防護材料的被動氧化模型及其計算方法，用于解決材料的被動氧化性能預測。

背景技術

氮化硅(Si₃N₄)陶瓷材料具有強度高、熱穩定和化學穩定性好等優點，且與石英、BN等復合后能夠獲得良好的介電性能，適合用作高溫透波材料。為保證Si₃N₄在高溫有氧環境下的使役安全性，須對Si₃N₄高溫下的高溫氧化行為進行研究。

與其它含硅元素耐熱材料類似，Si₃N₄材料隨著氧分壓和溫度的不同氧化機制分為主動氧化和被動氧化機制。主動氧化時，Si₃N₄氧化生成氣態揮發性物質SiO，材料表面發生燒蝕；被動氧化時，材料表面形成保護性SiO₂薄膜，使其具有良好的抗氧化性能。Deal和Grove最早在單晶硅生成工藝中發現硅表面有SiO₂薄層的存在并得到SiO₂氧化層厚度與時間的拋物線方程關系式。該關系式在氧分壓0.1-1.0atm，溫度973-1573K，氧化層厚度在0.3-20μm的范圍內得到實驗驗證。Galanov分析了氧、氮在Si₃N₄氧化層結構的穩態擴散，提出了擴散控制及動力學控制的三層氧化層演化模型，并給出了相應的理論計算結果。Marschall-Chen研究了SiC在短暫氣動加熱環境下材料表面氧化模型并結合典型算例進行了理論推導。Parthasarathy提出了基于氧穩態擴散的ZrB₂三層氧化模型，并做了相應的理論分析，且得到實驗驗證。

發明內容

本發明的技術解決問題是：

本發明的技術方案是：一種氮化硅被動氧化層厚度確定方法,步驟如下:

(1)假設氮化硅材料只與氧氣發生反應且化學反應處于熱力學平衡狀態，通過化學反應方程建立起Si₃N₄氧化的熱力學模型進而構建氮化硅被動氧化預測模型；所述的被動氧化預測模型從外到內依次包括氣體邊界層、致密氧化層、多孔氧化層和原始材料層；

(2)根據熱力學模型中每個化學反應的化學平衡常數結合反應后氣體總壓等于環境壓強的原則，計算反應后SiO₂的蒸汽壓；

(3)根據反應后SiO₂的蒸汽壓，計算致密氧化層與氣體邊界層交接面的SiO₂濃度，進而得到該邊界層的O₂濃度

(4)氧化過程中，假設在原始材料層與多孔氧化層之間的交界面反應處于熱力學平衡狀態，采用Barin的熱力學數據，得到該交界面的氧分壓，進而得到該交界面的O₂濃度

(5)根據氣體的擴散通量守恒以及反應的熱化學平衡守恒原則，根據步驟(3)、(4)確定的O₂濃度，計算氧化層的厚度。

所述的熱力學模型如下：