碳化硅陶瓷作為現代工程陶瓷之一，其硬度僅次于金剛石，具(ju)有(you)熱膨脹系數(shu)小、熱導率高、化學(xue)穩(wen)定(ding)性(xing)(xing)好(hao)、耐(nai)磨性(xing)(xing)能(neng)高、在高溫(wen)下仍具(ju)有(you)良(liang)好(hao)力(li)學(xue)性(xing)(xing)能(neng)和抗氧化性(xing)(xing)能(neng)等(deng)突出(chu)的物理化學(xue)性(xing)(xing)質，成為最具(ju)發展前景(jing)的結構(gou)陶瓷，可以廣泛(fan)應用于石(shi)油化工、冶(ye)金機械、微電子器件和航空航天等(deng)領域。同時(shi)，SiC還具(ju)有(you)低的中子活性(xing)(xing)、良(liang)好(hao)的耐(nai)輻(fu)照(zhao)損傷能(neng)力(li)和高溫(wen)結構(gou)穩(wen)定(ding)性(xing)(xing)等(deng)優點，成為新一(yi)代核(he)裂變以及(ji)未來核(he)聚變反(fan)應堆中的重要結構(gou)材料之一(yi)。

　　然而，碳化硅是強共價化合物，原子擴散能力低，因此在高溫下很難燒結致密。為了促進燒結、降低燒結溫度，通常需要添加高溫燒結助劑來實現，如以Al-B-C-B4C為主的固相燒結助劑體系，和以Al2O3-Y2O3，AlN-Re2O3（其中Re2O3通常是Y2O3、Er2O3、Yb2O3、Sc2O3、Lu2O3等稀土元素的氧化物）為主的液相燒結體系。大量燒結助劑的使用會造成碳化硅陶瓷高溫強度下降和熱學(xue)性(xing)質(zhi)惡化(hua)，因此探索(suo)合(he)適的碳化(hua)硅陶瓷(ci)燒結法是陶瓷(ci)學(xue)界關注的重點(dian)。

　　另外，陶(tao)瓷(ci)常規工藝(yi)均采用粉(fen)末冶金的(de)(de)方法(fa)實(shi)(shi)現(xian)燒(shao)結助(zhu)(zhu)劑(ji)和基(ji)體陶(tao)瓷(ci)粉(fen)體的(de)(de)混合，該方法(fa)存在(zai)著(zhu)(zhu)添加劑(ji)混合不均勻、球磨(mo)介(jie)質雜質引(yin)入等缺點(dian)。傳統的(de)(de)球磨(mo)混合法(fa)只是達到(dao)了所添加燒(shao)結助(zhu)(zhu)劑(ji)在(zai)碳(tan)(tan)化硅(gui)粉(fen)末中(zhong)的(de)(de)隨機分(fen)散(san)，從單(dan)個碳(tan)(tan)化硅(gui)顆粒微觀角度來說并未達到(dao)均勻接觸燒(shao)結助(zhu)(zhu)劑(ji)。如(ru)何實(shi)(shi)現(xian)燒(shao)結助(zhu)(zhu)劑(ji)均勻分(fen)布于待燒(shao)結的(de)(de)碳(tan)(tan)化硅(gui)晶粒界面(mian)，這對于陶(tao)瓷(ci)致密化動力學過程(cheng)起著(zhu)(zhu)至關重要的(de)(de)作用。

　　中國科學院寧波材料技(ji)術與工(gong)(gong)程研究(jiu)所核(he)能材(cai)料工(gong)(gong)程實驗室（籌）前期研究(jiu)中子吸收硼(peng)化(hua)物陶瓷發展出顆(ke)粒表面包裹(guo)的(de)(de)新(xin)技(ji)術（Journal of European Ceramic Society, 2017，37(15), 4524-4531; Journal of American Ceramic Society, 2018, 101(9), 3780-3786），該方法(fa)(fa)突破傳統的(de)(de)陶瓷球磨工(gong)(gong)藝效率低(di)的(de)(de)難題，成功(gong)制(zhi)備了(le)亞微米級均勻分布的(de)(de)兩(liang)相復合(he)粉體(ti)，合(he)成燒(shao)(shao)結助劑均勻包裹(guo)碳化(hua)硼(peng)的(de)(de)核(he)殼(ke)結構，對于(yu)低(di)溫致(zhi)密化(hua)燒(shao)(shao)結效果顯(xian)著。該方法(fa)(fa)對于(yu)纖維(wei)和(he)晶須表面包裹(guo)MAX相陶瓷涂層也(ye)獲(huo)得了(le)成功(gong)，顯(xian)示出良(liang)好的(de)(de)合(he)成工(gong)(gong)藝普(pu)適(shi)性(xing)（Advanced Electronic Materials, 2018, 4 (5), 1700617; Journal of Materials Science, 2018, 53 (13), 9806-9815; Journal of American Ceramic Society, doi.org/10.1111/jace.15784）。

　　基于(yu)前期工(gong)作的(de)(de)(de)積(ji)累，實(shi)驗室科(ke)研人(ren)員經過大量探索實(shi)驗，采用(yong)熔鹽法成功在(zai)SiC顆粒表面原(yuan)位(wei)反應包覆可控Y3Si2C2涂層，制(zhi)備出SiC@Y3Si2C2核-殼結構的(de)(de)(de)復(fu)合粉(fen)體。該SiC@Y3Si2C2復(fu)合粉(fen)體通過在(zai)1700℃、45MPa的(de)(de)(de)條件下(xia)的(de)(de)(de)放(fang)電等(deng)離子燒結（SPS），成功實(shi)現了(le)相對致密度為99.5%的(de)(de)(de)SiC陶瓷(ci)，且其(qi)楊氏模量、維(wei)氏硬(ying)度、斷裂(lie)韌性、熱擴散(san)系(xi)數以及(ji)熱導(dao)率也分別達到了(le)451.7±48.4GPa、26.3±3.4Gpa、

　　在研究致(zhi)密化機理時，核(he)能材料工程實(shi)驗(yan)(yan)室(shi)研究人員(yuan)發現(xian)(xian)(xian)Y3Si2C2涂(tu)層體現(xian)(xian)(xian)出低溫(wen)助燒高溫(wen)分(fen)解(jie)的(de)(de)(de)有趣現(xian)(xian)(xian)象，最終(zhong)Y3Si2C2涂(tu)層分(fen)解(jie)為Y金屬和SiC相(xiang)(xiang)，大部分(fen)Y會逸出碳(tan)化硅陶瓷晶(jing)界，少量Y同碳(tan)化硅表面的(de)(de)(de)氧(yang)反應形成(cheng)(cheng)耐(nai)高溫(wen)的(de)(de)(de)氧(yang)化釔晶(jing)界第(di)二(er)相(xiang)(xiang)。實(shi)驗(yan)(yan)室(shi)理論研究人員(yuan)結合(he)開展了(le)詳細的(de)(de)(de)Y-Si-C體系相(xiang)(xiang)圖(tu)的(de)(de)(de)計(ji)(ji)算分(fen)析，利用(yong)相(xiang)(xiang)圖(tu)計(ji)(ji)算CALPHAD（CALculation of PHAse Diagrams）方法，發現(xian)(xian)(xian)Y:SiC成(cheng)(cheng)分(fen)比例為從(cong)1:4降(jiang)低至(zhi)1:6、再降(jiang)低至(zhi)1:8時，系統(tong)中Y3Si2C2相(xiang)(xiang)含量降(jiang)低，同實(shi)驗(yan)(yan)觀察到的(de)(de)(de)Y3Si2C2涂(tu)層厚(hou)度變化規律相(xiang)(xiang)符合(he)。在計(ji)(ji)算的(de)(de)(de)1100℃相(xiang)(xiang)圖(tu)中，SiC和Y3Si2C2穩(wen)(wen)定共(gong)存(cun)，而(er)在高溫(wen)相(xiang)(xiang)圖(tu)中（1600℃和1700℃），Y3Si2C2不(bu)再穩(wen)(wen)定存(cun)在，SiC和液態液相(xiang)(xiang)共(gong)存(cun)，從(cong)而(er)解(jie)釋了(le)實(shi)驗(yan)(yan)燒結樣品中得到99.5%的(de)(de)(de)SiC、而(er)Y基本消(xiao)失(shi)的(de)(de)(de)現(xian)(xian)(xian)象。

　　該研究成(cheng)果表明，具(ju)有三元層狀的(de)Y3Si2C2材料(liao)可成(cheng)為碳化硅陶(tao)瓷(ci)新型的(de)燒結(jie)助(zhu)劑，其(qi)具(ju)有低溫(wen)液相存在和(he)高(gao)溫(wen)相分解的(de)特性，能起到促進(jin)碳化硅陶(tao)瓷(ci)高(gao)溫(wen)燒結(jie)過程中晶粒(li)重排和(he)晶界處重結(jie)晶的(de)效果。該科(ke)(ke)(ke)研成(cheng)果已在線發表在《歐洲陶(tao)瓷(ci)學會期刊(kan)》上(shang)（Journal of European Ceramic Society, 2018，doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2018.07.054）。以上(shang)工作(zuo)得到了(le)國家(jia)自然科(ke)(ke)(ke)學基金（91426304）以及(ji)中科(ke)(ke)(ke)院戰略先導科(ke)(ke)(ke)技專(zhuan)項（XDA03010305）的(de)資助(zhu)支持。

圖1 掃描電子顯微鏡圖片和能譜分析顯示出Y3Si2C2良好包裹在SiC顆粒表面

圖2 掃描電子顯微鏡背散射照片揭示燒結碳化硅陶瓷斷面的形貌和元素分布

　　圖3 Y-Si-C三元系相圖:（a）Y:SiC成分比例為1:4、1:6和1:8時，系統相組成隨溫度的變化；（b）1100℃等溫截面；（c）1600℃等溫截面；（d）1700℃等溫截面