MASiBCN陶瓷的高温氧化规律与机理

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SiBCN陶瓷因其优异的性能和广阔的应用前景使对其的研究成为陶瓷领域的热点,但目前缺乏对SiBCN块体陶瓷抗氧化性及微观结构对抗氧化性的影响的研究。本文研究了在1100°C至1500°C下,SiBCN陶瓷的氧化行为、氧化动力学、氧化过程中BN(C)相对抗氧化性的影响及氧的扩散过程,为SiBCN在空气下的应用提供数据支持,并为研究高抗氧化性材料提供新思路。通过机械合金化法及热压烧结工艺制备了块体MA SiBCN陶瓷、MASiC陶瓷和MA SiC-BN复合陶瓷。利用SEM对比研究了三种MA陶瓷在1100°C,1300°C和1500°C下的氧化层表面与断口截面形貌随氧化时间由1h至20h的演化规律。MA SiBCN陶瓷氧化层成分主要是方石英与非晶的SiO2。MA SiBCN陶瓷在1300°C20h或1500°C10h以后表面才产生严重起泡现象,而MA SiC-BN陶瓷在1300°C1h就发生了严重的起泡现象。MA SiBCN陶瓷氧化层在1100°C到1500°C均与基体结合良好,界面处没有出现孔洞,而MA SiC陶瓷在1500°C下氧化层与基体处出现了小的孔洞。MA SiBCN陶瓷的氧化层在1100°C到1500°C均保持均匀致密,而MA SiC-BN陶瓷在1300°C后随着氧化时间或氧化温度的提高,氧化层变得疏松多孔。XPS分析表明在1100°C至1500°C流动空气中氧化1h后的MA SiBCN陶瓷表面残留的B元素主要均以C-B-N键形式结合,而不是氧化前占主要键合类型的B-N键,证实了C-B-N键在高温氧化性条件下较B-N有更好的化学稳定性。MA SiBCN陶瓷氧化过程的脱碳现象是在氧气存在的条件下BN(C)相中的C元素优先发生氧化所致。同位素氧化研究表明,1100°C下氧在MA SiBC-N陶瓷氧化层中的扩散方式不是如MA SiC中的氧分子间隙扩散而是晶格置换扩散。估算得的氧在MA SiBCN陶瓷氧化层中的扩散系数略大于其在方石英晶体中的扩散系数。TEM观察表明,MA SiBCN在1300°C下的氧化层与基体结合良好,为单层结构,氧化层中有少量方石英晶体和自由C。MASiBCN陶瓷在1100°C,1300°C和1500°C下氧化动力学常数依次是:0.410μm2/h,0.827μm2/h和11.7μm2/h。
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