[發明專利]一種常壓燒結抗輻照碳化硅陶瓷材料及其制備方法

在審

• 申請號: 202110009491.6
• 申請日: 2021-01-05
• 公開（公告）號: CN112794719A
• 公開（公告）日: 2021-05-14
• 發明（設計）人: 陳健;祝明;黃政仁;陳文輝;姚秀敏;陳忠明;劉學建
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: C04B35/577
• 分類號: C04B35/577;C04B35/622
• 代理公司: 上海瀚橋專利代理事務所(普通合伙) 31261
• 代理人: 鄭優麗;牛彥存

本發明公開一種常壓燒結抗輻照碳化硅陶瓷材料及其制備方法。所述抗輻照碳化硅陶瓷材料包括碳化硅基體和原位固溶進入碳化硅晶格的¹¹B₄C；其中，¹¹B₄C占抗輻照碳化硅陶瓷材料的質量比為1wt%以下。原位生成的B₄C容易固溶進碳化硅晶格，能以極少量的B元素使晶界能降至足夠低，促進碳化硅陶瓷燒結致密化，克服了SiC的自擴散性差以及強共價鍵的存在使其燒結性差的缺陷。

技術領域

本發明涉及一種常壓燒結抗輻照碳化硅陶瓷材料及其制備方法，屬于碳化硅陶瓷領域。

背景技術

在核能系統和空間中，材料容易遭受高能粒子的轟擊，發生輻照硬化、輻照催化和輻照偏聚等造成材料相不穩定性，或者出現輻照生長、輻照腫脹等現象，從而導致器件故障。來自核聚變和核裂變、宇宙、太陽的高能粒子和射線對材料的輻照單粒子效應(SEE)，即單個高能粒子(如重離子、質子、中子等)入射到核保護材料或者航天用集成電路電子基片后，導致材料性狀改變而失效。

碳化硅(SiC)陶瓷具有高強度、高硬度、高彈性模量、高耐磨、高導熱、抗氧化以及抗腐蝕等優異性能，這一系列引入注目的優點使其在軍事國防、核工業、航空航天等領域有重要的應用。特別地，由于SiC陶瓷具有低中子吸收截面，這使其可以應用于抗輻照系統，例如核能系統或航天空間用集成電路電子基板。但是SiC的自擴散性差以及強共價鍵的存在使其燒結性差，因此在SiC陶瓷燒結過程中往往需要加入燒結助劑使其致密化。碳化硅陶瓷的燒結方法可分為液相燒結和固相燒結。液相燒結SiC陶瓷需要加入氧化鋁和/或稀土氧化物等較低熔點氧化物，但是低熔點限制了碳化硅陶瓷的高溫應用，同時稀土元素具有的高中子吸收截面也限制了其在抗輻照系統中的應用。相對來說，固相燒結SiC陶瓷能夠適應更高服役溫度，然而固相燒結需要加入B₄C-C體系助劑。B₄C中的B有¹¹B和¹⁰B兩種同位素，天然B中占80.2at％的¹¹B幾乎不吸收中子，雖然只有約占19.8at％的¹⁰B吸收中子，但是¹⁰B吸收中子發生反應產生鋰和高能α粒子，其反應方程式如下：據報道，該效應會導致固態燒結SiC陶瓷的膨脹，從而導致結構件的失效。

發明內容

第一方面，本發明提供一種常壓燒結抗輻照碳化硅陶瓷材料。所述抗輻照碳化硅陶瓷材料包括碳化硅基體和原位固溶進入碳化硅晶格的¹¹B₄C。原位生成的B₄C容易固溶進碳化硅晶格，能以極少量的B元素使晶界能降至足夠低，促進碳化硅陶瓷燒結致密化，克服了SiC的自擴散性差以及強共價鍵的存在使其燒結性差的缺陷。

其中，¹¹B₄C占抗輻照碳化硅陶瓷材料的質量比為1wt％以下。本發明中原位產生的¹¹B₄C含量很少，且¹¹B₄C會與SiC發生固溶反應。綜合作用下，樣品中殘余的¹¹B₄C含量極少，因此在XRD中未觀察到B₄C的特征峰。一些技術方案中，通過控制硼酸的加入量，可以調節生成¹¹B₄C的含量，使其生成量在樣品中低于1wt％，實現碳化硅陶瓷燒結致密化。同時，控制¹¹B₄C較少的用量還可以避免制備成本的增加。

較佳地，所述¹¹B₄C占抗輻照碳化硅陶瓷材料的質量比為0.4-1wt％。

較佳地，所述抗輻照碳化硅陶瓷的密度為3.1-3.2g·cm^-3，致密度為99％以上，抗彎強度為300-500MPa。

第二方面，本發明還提供上述任一項所述的常壓燒結抗輻照碳化硅陶瓷材料的制備方法。所述制備方法包括以下步驟：