碳化硅抗氧化涂层的失效分析

碳化硅功率模块故障是指碳化硅功率模块在运行过程中出现了问题或无法正常工作的情况。

碳化硅功率模块是一种新型的半导体器件，具有高温、高压、高频等特点，常被用于电力电子装置中。

以下是可能导致碳化硅功率模块故障的一些常见原因：1.过电流问题：过大的电流会导致功率模块内部元件（例如晶体管等）过载，可能引发局部热点或烧毁。

2.过热问题：碳化硅功率模块工作时会产生热量，如果散热不足，温度过高可能会损坏内部结构，导致故障发生。

3.火花或电弧击穿：在高压或高频环境中，电子元件之间可能会产生火花或电弧现象，引发短路或击穿故障。

4.不合适的工作环境：碳化硅功率模块对工作环境的要求比较高，如果使用环境存在湿度、尘土、化学腐蚀等不利因素，可能导致故障发生。

5.设计或制造缺陷：如果设计或制造过程中存在缺陷，例如材料质量不达标、焊接不良等问题，可能造成碳化硅功率模块故障。

当发生碳化硅功率模块故障时，我们应该采取以下措施：1.关停设备：首先，应立即关停相关设备，切断电源，以免进一步损坏模块和设备。

2.检查故障原因：通过仔细检查模块和设备，找出可能导致故障的原因。

可以检查电流、温度、连接线路等方面，以确定具体的故障点。

3.维修或更换：根据故障的具体原因，进行维修或更换碳化硅功率模块。

在维修过程中，应使用符合规范的工具和材料，确保维修质量和安全性。

4.评估和改进：对故障进行评估，总结经验教训。

如果发现设计或制造缺陷，应及时进行改进和升级，以提高碳化硅功率模块的可靠性和稳定性。

最后，在使用碳化硅功率模块时要注意安全使用，遵守使用规范和说明书，定期检查和维护设备，以确保其安全性和可靠性。

同时，鼓励科技研发机构和制造商加大投入，不断提升碳化硅功率模块的质量和性能，为实现低碳环保和可持续发展做出更大的贡献。

第49卷第7期 2021年7月硅 酸 盐 学 报Vol. 49，No. 7 July ，2021JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY DOI ：10.14062/j.issn.0454-5648.20200892SiC/SiC 复合材料抗氧化界面相的研究现状及展望杨会永1，徐 彬1，陈 典1，王 方1，陈 智1，罗瑞盈2，李明远3，袁 钦4，刘同淇1(1. 南昌航空大学材料科学与工程学院，江西 南昌330063；2. 北京航空航天大学物理科学与核能工程学院，北京100191； 3. 中国人民解放军陆军第九综合训练基地，河北 宣化 075100；4. 中国科学院宁波材料技术与工程研究所，浙江 宁波315201)摘 要：SiC/SiC 复合材料具有耐高温、抗氧化、耐烧蚀、抗热震等优异性能，是航空航天领域理想的高温结构材料。

界面相是影响SiC/SiC 复合材料性能的关键因素之一。

依据陶瓷基复合材料界面相设计理念的不同，本工作将SiC/SiC 复合材料界面相分为层状结构、难熔氧化物、稀有金属盐、多元陶瓷4大类，综述了各类界面相的材料种类与形式、力学及抗氧化性能改性效果、性能影响因素及作用机理、存在的问题，并对未来发展趋势进行了展望。

关键词：碳化硅纤维增强碳化硅基复合材料；界面相；研究现状；抗氧化中图分类号：TQ343 文献标志码：A 文章编号：0454–5648(2021)07–1446–11 网络出版时间：2021–06–25Development on Oxidation Resistant Interphase of SiC/SiC CompositesYANG Huiyong 1, XU Bin 1, CHEN Dian 1, WANG Fang 1, CHEN Zhi 1, LUO Ruiying 2, LI Mingyuan 3, YUAN Qin 4, LIU Tongqi 1(1. School of Materials Science and Engineering, Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063, China;2. School of Physics and Nuclear Energy Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China;3. Army's Ninth Comprehensive Training Base, Xuanhua 075100, Hubei, China;4. Ningbo Institute of Material Technology and Engineering, Chinese Academy of Sciences, Ningbo 315201, Jiangsu, China)Abstract: As the ideal candidate materials for high-temperature structure parts in aeronautics and astronautics domain, SiC/SiC composites possess some advantages, e.g ., heat-resistant, oxidation resistance, ablation resistance and heat shock resistance. Interphase is one of critical factors affecting the performances of SiC/SiC composites. According to the interphase design philosophy of ceramics matrix composites, the interphases of SiC/SiC composites are divided into four kinds, i.e ., layered structure, refractory oxide, rare metal salts and multiple components ceramics. In this review, the species and styles of interphase, modifying effects on mechanical and oxidation resistance properties, influence factors on the properties and mechanisms and some existing problems were represented, and the proper perspectives were proposed.Keywords: silicon carbide fiber reinforced silicon carbide matrix composites; interphase; research status; oxidation resistance连续碳化硅纤维增强碳化硅基(SiC/SiC)复合材料具有低密度、高比强度、高比模量、耐高温、抗氧化、耐烧蚀、耐冲刷、抗热震等优异性能，是航空航天领域理想的高温结构材料[1–3]。

碳化硅功率循环寿命模型-回复碳化硅功率循环寿命模型是一种用于预测和评估碳化硅功率电子器件的循环寿命的方法。

碳化硅（SiC）是一种具有优越性能和广泛应用前景的新一代功率半导体材料。

然而，由于其特殊的材料特性和制备工艺，碳化硅器件的寿命预测一直是一个具有挑战性的课题。

碳化硅功率循环寿命模型通过分析器件的结构，材料特性，工作条件等多个因素，可以预测器件在实际工作环境下的寿命。

首先，碳化硅功率循环寿命模型考虑了器件的结构和材料特性。

碳化硅器件通常由多个层次的结构组成，包括衬底、绝缘层、沟道区、栅极等。

这些层次的结构对器件性能和寿命具有重要影响。

模型会考虑每个层次的材料特性，如衬底的材料导热系数、绝缘层的介电常数等，以及结构参数，如沟道长度和宽度等。

其次，碳化硅功率循环寿命模型会考虑器件的工作条件。

碳化硅器件常用于高温、高压和高频等严苛的工作环境下，这些因素都会对器件的寿命产生影响。

模型会分析器件在不同工作条件下的热特性，如温度分布、热应力等，以及功率特性，如漏电流、电流浓度等。

然后，碳化硅功率循环寿命模型会考虑器件的失效机制。

碳化硅器件的失效机制主要包括热失效和电氧化失效。

热失效是由于高温和热应力导致的器件结构破坏和材料老化，电氧化失效是由于电流密度过大导致的材料电导性能和结构稳定性的损失。

模型会分析器件的温度分布和热应力分布，以及电流密度和电场强度等关键参数，从而确定失效机制的发生概率和位置。

最后，碳化硅功率循环寿命模型会基于以上分析结果，通过概率统计和数值模拟的方法，预测器件在实际工作环境下的循环寿命。

模型可以考虑不同工作条件和失效机制的组合，以及潜在的失效原因和位置，从而给出适用于不同应用场景的寿命预测。

需要指出的是，碳化硅功率循环寿命模型仍然处于不断发展和改进的阶段。

由于碳化硅器件的结构和特性极复杂，模型的建立和验证需要大量的实验数据和理论支持。

此外，不同厂商和制造工艺下的器件性能和寿命也可能存在较大差异。

碳化硅腐蚀方法
碳化硅是一种耐高温、耐腐蚀、耐磨损性能优异的材料，广泛应用于
高温、强酸碱环境下的工业领域。

然而，在某些极端环境下仍然会遭
受腐蚀，所以对碳化硅的腐蚀方法进行研究具有重要的现实意义。

目前，碳化硅的腐蚀方法主要包括以下几种：
1.酸碱腐蚀法
在实验室中研究发现，碳化硅具有一定的化学惰性，可以耐受酸和碱
的腐蚀。

但当浓度过高或温度过高时，依然会产生一定程度的腐蚀，
从而导致材料的损坏。

这种腐蚀方式需要严格控制浓度、温度等因素，以免对碳化硅材料造成损伤。

2.氧化腐蚀法
氧化腐蚀法是利用氧气在高温下与碳化硅反应，产生二氧化碳和水蒸气，从而导致碳化硅材料的腐蚀。

这种腐蚀方式可用于制备有特定微
纳米结构的碳化硅材料，但是氧化腐蚀需要高温，且对材料表面粗糙
度有一定要求，因此不能广泛应用。

3.电化学腐蚀法
电化学腐蚀法是在特定的电场作用下，使得氧化物在碳化硅表面析出，从而导致其腐蚀。

该腐蚀方式不仅可以控制腐蚀速率，而且还可以制
备出不同形态、尺寸的碳化硅纳米材料，具有一定的应用前景。

4.辐照腐蚀法
辐照腐蚀法是在高能粒子或辐射束的作用下，产生的离子在碳化硅表
面与材料发生反应，导致其腐蚀。

该腐蚀方式与氧化腐蚀法相似，但
其速率更快，效果更好。

总之，对碳化硅材料的腐蚀方式进行深入研究，可以为其在各种极端
环境下的应用提供参考，具有广泛的应用前景。

第12卷第2期 2000年03月 腐蚀科学与防护技术CORR OSION SCIENCE AN D PR OTECTION TECHN OLOG Y V ol.12N o.2 Mar.20003国家自然科学基金资助项目(59602008)收到初稿:1999203208,收到修改稿:1999204227作者简介:潘牧,男,1964年出生,副教授,博士碳化硅(SiC )基材料的高温氧化和腐蚀3潘牧　南策文(武汉工业大学材料复合新技术国家重点实验室武汉430070)摘　要　评述了近年来S iC 材料氧化和腐蚀研究的进展,分析讨论S iC 腐蚀氧化机理、影响因素、气氛和融盐等的影响,比较了S iC 材料在不同条件下的氧化腐蚀情况,同时指出了存在的问题.关键词　碳化硅　氧化　腐蚀中图分类号　TG 174.45 文献标识码　A 文章编号　100226495(2000)022*******HIGH TEMPERATURE OXI DATION AN D CORR OSION OF SiC 2BASE D MATERIALSPAN Mu ,NAN Cewen(State K ey Laboratory o f Advance Technology for Material Synthesis and Processing ,Wuhan Univer sity o f Technology ,Wuhan ,430070)ABSTRACT The development of research on oxidation of SiC 2based materials is reviewed.The oxidation mechanism and the effect of environment are discussed.KE Y WOR DS SiC ,oxidation ,corrosion 碳化硅材料具有比金属和金属间化合物好的高温强度和抗蠕变性能,比氧化物陶瓷好的热导率和抗热震性能[1].碳化硅材料家族主要包括SiC 及以SiC 为主相的材料、SiC 纤维增强陶瓷材料以及C VD -SiC ,它们得到了较广泛的应用.SiC 基材料已被用来制作热交换器[2～4],这种热交换器与金属热交换器相比可以在氧化气氛下用于更高的温度环境,从而大幅度降低使用天然气或燃油的工业窑炉的操作成本,能源利用率可提高20%～30%,并可降低烟气排放.碳化硅基材料如氮化硅结合碳化硅作为窑具用材料在高炉[5～7]、高速烧嘴套管[8]、铝熔炼炉窑具[9]等场合下已开始得到应用,并取得很好的经济效益,如在高炉上使用氮化硅结合碳化硅耐火砖后,高炉的炉龄由原来4～6年延长到10年以上,并且有希望更长.陶瓷基复合材料特别是耐火纤维(Nicalon ,Nextel or C )增强的SiC 材料将成为目前航天器鼻端和边缘用C ΠC 复合材料的升级替代材料[10],目标是在1000～1500℃温度下长期使用.为解决目前使用的C ΠC 复合材料的高温氧化问题,采用了C VD 沉积碳化硅涂层表面用玻璃密封剂处理的办法.所有这些碳化硅材料的应用目标都是在高温恶劣环境下,因此材料的抗环境侵蚀性能及其提高抗环境侵蚀性能的措施引起了广泛的关注,是目前陶瓷材料研究的热点之一.碳化硅材料在普通条件下(如大气中1000～2000℃)具有较好的抗氧化性能,这是由于在高温条件下碳化硅材料表面产生了一层非常薄的、致密的、结合牢固的SiO 2膜,氧在SiO 2膜中的扩散系数非常小,因此碳化硅材料的氧化非常缓慢.在这种条件下碳化硅材料的缓慢氧化称作钝性氧化(Passive Oxidation ).但在某些条件下,如在足够高的温度下或较低的氧分压下,SiC 表面上会生成一种挥发性的SiO ,或者生成的SiO 2膜被环境腐蚀,这导致碳化硅材料被快速氧化(活性氧化,Active Oxidation ).而碳化硅材料在使用过程中经常会遇到这种环境.近些年对碳化硅材料的氧化机理的研究已有许多工作,但由于碳化硅材料氧化问题的复杂性和实验条件要求苛刻,仍有许多基本问题尚未解决.1钝性氧化碳化硅材料在高温氧化气氛中表面生成一层致密的SiO2膜,氧在这层膜中的扩散非常慢,因此碳化硅的氧化也非常慢,这种氧化称为钝性氧化[11].钝性氧化的反应式为:SiC(s)+32O2→SiO2(s)+C O(g)(1)表层SiC到SiO2的转变导致材料的净重增加,这是钝性氧化的特征之一.1.1氧化过程控制机理按照式(1)进行的氧化反应,实际上包含有3个过程:(1)氧通过SiO2膜扩散到SiO2ΠSiC界面上;(2)氧在SiO2ΠSiC界面上与碳化硅反应;(3)反应产物C O通过SiO2膜扩散出去.如果氧化速率受界面反应的控制(过程2),反应速率是常数,表层SiO2膜厚与时间关系遵循线性规律;如果反应是由扩散控制,反应速率将随时间增加而减小,膜厚2时间关系遵循抛物线规律.SiC的氧化动力学虽然受到了广泛的关注,但远没有研究清楚.多数的研究仅报道了抛物线型氧化动力学,即氧化速率受氧在SiO2膜中扩散的控制,用Deal2G rove模型[12]表示为:X2+A X=B(t+π)(2)其中X为SiO2膜的厚度,t是时间,A、B、τ是经验常数,其中B称作抛物线反应速度常数.根据这个模型,SiC氧化动力学应与硅的氧化动力学规律一致,但SiC氧化反应激活能为134～498 k JΠm ol[11,13],远高于硅氧化反应时的激活能(约119 k JΠm ol)[12].另一方面单晶SiC的氧化速度表现出各向异性的特点,这也不能用氧在SiO2膜中扩散的控制理论解释.Luthra认为既然单一的氧或C O扩散控制理论和界面反应理论都不能圆满解释观察到的氧化现象,所以应该用扩散Π界面反应协同控制理论来解释[14].用这种扩散Π界面反应协同控制理论确实可以解释许多实验现象(如表1所示),但建立具体的理论模型则是非常复杂的,有待进一步研究.T able1Implications of rate2controlling mech anisms for the oxid ation of SiC[14]Rate2limiting process Prediction Observation Agreement O2inw ord diffusion Parabolic rate law R oughly parabolic Y es K p3=0.521.0K p(S i)K p(P olycrystalline)～K p(S i)Y esK p(single crystal)<K p(S i)N o N o bubbles at t≤1810℃N one for CVD below1650℃Y esBubbles above1650℃for CVD N oBubbles for sintered S iC N o CO permeabilityµO2CO permeability≤O2(probably)N oK p∝P O2Small dependence on P O2N oInterface reaction Linear rate law Nearly parabolic N oLinear on face of C in S iC Y esK pνK p(S i)K p(polycrystalline)～K p(S i)N oK p(single crystal)<K p(S i)Y esK p depends on crystalline face Lower rate for S iC face than for C face Y es CO outw ord diffusion Parabolic Nearly parabolic Y esRates same as for O2diffusion control K p(polycrystalline)～K p(S i)Y esK p(single crystal)<K p(S i)N oF orαC<1in S iCC formation at S iCΠS iO2interface C observed in Al2O32S iC com posites Y esBubble formation at long t and high T Bubble formation on CVD S iC>1650℃Y esF orαC>1in S iCBubble formation at short t and low T Bubbles on sintered S iC Y es Interface reactionΠdiffusion C om plex rate law Nearly parabolic UnknownK p<K p(S i)K p(polycrystalline)～K p(S i)Y esK p(single crystal)<K p(S i)Y esK p depends on the crystallographic face Lower rate for S i face than for C face Y esBubble formation possible,As reported above for Y essimilar to CO diffusion control CO diffusion control K p:the parabolic rate constant011腐蚀科学与防护技术 12卷 上述理论可以较好地解释氧化过程中气泡的产生.当C O在SiO2膜中的扩散速度远低于氧的时候,在SiC材料表面会形成C O气泡,开始产生气泡所需要的时间决定于起始化合物的非化学计量.气泡在含有饱和碳的碳化硅上很快形成,而在硅饱和的碳化硅上气泡的产生根据温度需要很长的时间.对于碳化硅材料的钝性氧化速度表现出不完全满足抛物线的规律、反应激活能远高于硅氧化的激活能等问题,Zheng和Tressler等[15,16]通过实验提出了一个较新的解释,他们认为在较低温度(<1300℃)分子氧在SiO2膜中的扩散是氧化速度的主要控制机制,而在较高温度下离子氧扩散是主要控制机制,因此显示出不完全的抛物线规律.但他们也不能解释钝性氧化的所有现象如气泡产生等.通过以上讨论看出碳化硅材料的钝性氧化动力学是一个较复杂的问题.虽然钝性氧化速度非常慢,一般不影响碳化硅使用,但对孔隙较多的碳化硅制品,会发生内部晶界氧化,产生的SiO2导致晶界处体积膨胀,膨胀应力将会导致碳化硅制品破坏.另外由于碳化硅的钝性氧化会产生C O等,C O导致气泡的产生从而破坏SiO2膜,丧失SiO2膜的保护作用.1.2SiO2结晶对氧化速度的影响碳化硅材料氧化表面形成了一层致密的SiO2膜,在氧化的开始阶段和较低温度下,这种SiO2膜是以玻璃态形式存在的.但是在高于1200℃,它将会最终转变为结晶形态(通常是方石英).可以预料显微结构的转变会对氧化速度带来较大的影响.Ogbuji研究C VD SiC在1300℃下SiO2膜结晶对氧化规律的影响[17],首先对试样预氧化50h,然后在氩气氛保护下在1300℃退火50～150h进行结晶,再进行氧化,通过比较再氧化与预氧化的氧化速度,发现预氧化的氧化速度常数Kp比再氧化的至少高30倍,即SiO2膜的结晶至少降低氧化速度30倍以上.这意味着氧在玻璃态SiO2膜中的分子渗透要比在方石英中快30倍以上.实际上这也可以从一个侧面解释SiC材料的氧化规律是不完全的抛物线规律,因为在大多数情况下,SiO2膜同时存在玻璃态和方石英,因此氧分子的扩散是在两种介质里扩散的复合,有可能偏离抛物线规律.退火50h就足以完成玻璃态到方石英的转变,而氧化100h的试样中仍有大量的玻璃态存在.这说明在普通的氧化实验中100～200h内SiC表面的SiO2膜只能发生部分结晶化,但在惰性气氛保护下退火,玻璃态SiO2膜很快就会转变为方石英.但这种退火转变的方石英其形貌特殊,不象氧化过程中结晶的球状方石英,其结构特征还有待确定.1.3杂质对钝性氧化的影响碳化硅材料如果没有助烧剂(如氧化铝、硼、碳等)的话是很难烧结致密的,但是这些少量助烧剂或杂质在高温氧化过程中会穿过SiO2膜发生再分布以达到化学势的平衡.通常扩散到SiO2膜的杂质会降低SiO2膜的粘度,从而使氧通过SiO2膜向内扩散加快,加速SiC的氧化.C ostello和Tressler等[18]研究发现SiC在氧化过程中B在SiO2膜中偏聚,而邻近的SiC出现贫B区.这个结果说明SiC中的助烧剂或杂质可能会偏聚在SiO2膜中,从而影响SiC的氧化特性.助烧剂或杂质可能会加快SiC的氧化速度,但没有从根本上改变氧化机制.M.Maeda等[19]研究掺入各种助烧剂的SiC的氧化特性,发现都表现出近似抛物线规律,与纯SiC一致.SiO2膜中的杂质不仅可能来自SiC内部,还可能来自环境.例如Opila发现[20]在“高纯”氧化铝管中(Al2O3>99.8%)进行的氧化实验其SiC的氧化速度常数KP比在石英管中(SiO2>99.995%)的要高7倍.当用在高温下长时间退火后(>2000h)的氧化铝管进行氧化实验时,其氧化速度常数Kp与在石英管中实验的数据相当.这个实验说明氧化铝管中的杂质特别是约100×10-6的杂质对SiC的氧化速度有很大影响,高温退火使杂质挥发,从而消除了杂质的影响.但是杂质影响SiC氧化特性的机理还不清楚,钠可能是影响最严重的一种杂质.1.4湿气氛对钝性氧化的影响水蒸气能加速碳化硅材料的钝性氧化,而且在湿气氛下抛物线速度常数比在干气氛下高出10倍[21].另一个与干气氛氧化不同的地方是碳化硅在湿气氛下氧化在初始阶段表现出线性规律,随后渐渐偏离线性,表现出抛物线规律,用线性-抛物线规律表示:X2=B(t+τ) X=BA(t+τ)(3)但是对于水蒸气加速碳化硅氧化的原因还不清楚,通常认为水蒸气可能改变了SiO2膜中的原子间距,降低了SiO2膜的粘度和密度.具体原因有待进一步研究.2活性氧化和腐蚀2.1活性氧化及其与钝性氧化的转变分界线在足够高的温度下或较低的氧分压条件下,SiC1112期 潘牧等:碳化硅(S iC)基材料的高温氧化和腐蚀在氧化过程中会生成挥发性的而不是致密的氧化物,在这种条件下SiC持续快速氧化,表现出减重的特征.这种氧化被称作活性氧化(Active Oxidation),反应式为:SiC(s)+O2(g)→SiO(g)+C O(g)(4)由于碳化硅在活性氧化时无法形成SiO2保护膜,丧失了钝性氧化时的较好的抗氧化特性,产生快速氧化的现象,导致碳化硅材料的性能大幅度下降. K im和M oorhead的研究[22]表明在钝性氧化条件下SiC材料的强度变化不大.而当发生了活性氧化后材料强度下降.在1400℃、PO2为1.5×10-5MPa(刚低于活性氧化到钝性氧化的临界氧分压)下仅20h 强度就下降约50%.因此SiC的活性氧化是限制其应用的一个严重问题.实际上碳化硅的活性氧化一般只发生在很低的氧分压情况下,通常低于100Pa以下.在常压下,碳化硅的活性氧化不会发生.航天用飞行器的部件其工作环境有可能满足以上低氧分压条件,因此碳化硅制部件的氧化问题就必须引起重视.Vaughn和Maohs[23]发现气流量的增加将使钝性氧化到活性氧化的转变点移到更高的温度区,这对航天飞机来说是一个有利的结果.2.2气氛对SiC材料氧化的影响当环境中含有能干扰保护膜形成的元素时,SiC 材料可能受到比较严重的侵蚀.氯和碱金属是常见的两种能干扰保护膜形成的元素.碱金属如钠等已被发现极大地加速SiC的氧化[20],而且碱金属的蒸汽压比较高,容易污染环境气氛,加速SiC的氧化.McNallan等研究了SiC在含K Cl和NaCl蒸汽的气氛下SiC的腐蚀特性[24],发现在含碱金属气氛环境中(0.105%K Cl或0.05% NaCl),SiC在腐蚀过程中随时间线性减重,表现出活性腐蚀特征.HF腐蚀实验表明SiC表面没有SiO2,即没有形成保护膜.湿气氛急剧加速腐蚀,气氛中加入3%的水使腐蚀速度提高4倍.但氯气的加入延缓了碱金属造成的腐蚀.显微分析表明,SiC表面腐蚀产物主要是由气泡或裂纹造成的支离破碎的含碱金属的玻璃.碱金属对SiC的腐蚀过程可用以下反应方程式表示:2NaCl(g)+0.5O2(g)+2SiO2(s)=Na2Si2O5(l)+Cl2(g)(5)G o=860JΠm ol　at1000℃虽然式(5)的标准G ibbs自由能是正数,在Cl2分压很低的情况下还是可以发生反应.而Cl2的加入则可能阻止反应的进行.当水蒸汽加入时:2NaCl(g)+H2O(g)+2SiO2(s)=Na2Si2O5(l)+2HCl(g)(6)G o=-26611JΠm ol at1000℃G ibbs自由能变成很负的数,因此极大的加速SiC的腐蚀.与以上观察有少许不同的是Pareek和Shores[25]发现在低含量(约10×10-6)钾盐的干气氛下(Na2C O3),SiC氧化增重仍符合抛物线规律.而在高含量(约100×10-6)钾盐的湿气氛条件下符合线性规律.Pareek等与MacNallan结果不一致的主要原因是低含量钾盐的干气氛下实验中钾盐含量极少,约10×10-6,因此在Pareek的实验中SiO2仍有可能生成,但由于钾可能进入SiO2膜的内部,可以促进氧离子的扩散,加速SiC的氧化,如在低含量钾盐的干气氛下(Na2C O3)1300℃、42h氧化增重达1.5 mgΠcm2,远比一般氧化结果高.Cl2作为二次氧化剂经常用于垃圾焚化处理和炼铝过程,研究表明氯气可以与SiC反应形成气态SiCl4,因此可能对SiC材料产生腐蚀.Park等研究了烧结2SiC在O22Cl2气氛下的氧化腐蚀行为[26],发现在900～1000℃时少量氧的存在才能使SiC材料在氯气氛下发生剧烈的活性腐蚀,符合线性规律,在1000℃腐蚀5h失重达到120mgΠcm2左右.但在缺氧的情况下SiC材料在氯气氛下是比较耐腐蚀的.这可能是由于SiC中的Si与Cl反应逸出后,C遗留下来,干扰了Si和Cl的进一步反应.在高于1100℃时的腐蚀速度明显降低,有SiO2膜形成.因此SiC材料在O22Cl2气氛下在900～1000℃时可能发生剧烈活性腐蚀,在使用过程中应引起重视.2.3SiC材料的熔盐腐蚀早在1952年碱金属碳酸盐在1000℃下对SiC 的侵蚀作用已被认识到,1960年Amelinckx和他的合作者用这个原理研究单晶SiC中的位错.有报道说SiC发热元件在Na2C O3熔盐中在900℃下仅5h 即溶化殆尽[27].热压SiC在CaCl22CaF22CaS O4融盐中腐蚀实验显示出高的腐蚀率,在1000℃为13μmΠmin,在1100℃为60μmΠmin[28].Smialek和Jacobs on发现在Na2S O4ΠS O3,Na2S O4Πair和Na2C O3ΠC O2环境下热腐蚀导致烧结α2SiC的强度分别下降49%,38%和13%[29].由于气相反应产物和熔盐的附着,失重实验结果非常混乱,无法说明问题.但显微分析表明大量的气体和气泡在腐蚀过程中产生,这些气体和气泡破坏了SiO2保护膜,造成了局部腐蚀,形成腐蚀坑,降低了SiC强度.腐211腐蚀科学与防护技术 12卷蚀反应如下:SiO2+Na2S O4+2C+12O2=Na2SiO3+2C O2+S O2(7)SiO2+Na2C O3=Na2SiO3+C O(8)通过这些反应消除或破坏SiO2膜,导致SiC快速腐蚀.因此SiC在熔盐中的腐蚀是比较严重的问题. 2.4Si3N4结合SiC材料的氧化腐蚀Si3N4结合SiC材料(Si3N4Bonded SiC,S NBSC)在冶金工业中作为热交换管和耐火砖得到广泛应用,但是其工作环境都是含有熔融金属和腐蚀性气氛的环境,因此其腐蚀特性是一个极为重要的问题.Johnston和Little研究了Si3N4结合SiC材料的氧化特性[30],发现氧化规律近似于抛物线规律,初始阶段氧化严重,而后氧化速度减缓,1000℃10h氧化增重即达7mgΠcm2.氧化反应产物主要是方石英.Smith[31]和潘牧[32]等人的工作也证实Si3N4结合SiC材料氧化规律符合抛物线规律,氧化增重远远高于SiC材料.实验表明氧化属钝性氧化,其氧化程度高是由于Si3N4相的多孔性和高比表面积决定的.Johnston的研究还发现氧化后的Si3N4结合SiC 材料能够被熔融铝润湿并和熔融铝反应,严重损坏材料的性能,导致低应力破坏.对Si3N4结合SiC材料在含氯气氛下的腐蚀研究表明[33],氯气导致Si3N4结合SiC材料的活性腐蚀,腐蚀程度相当严重,1000℃Π24h后材料减重30 mgΠcm2.不过比SiC在含氯气氛中的腐蚀程度(在1000℃腐蚀5h失重达到120mgΠcm2左右)要轻,这主要是由于Si3N4抗氧化能力和抗氯气腐蚀能力比SiC强,因此对Si3N4结合SiC材料的腐蚀而言仅是发生在SiC部分的选择腐蚀.总之Si3N4结合SiC材料的氧化和腐蚀问题比较严重,这也妨碍了它们在工业领域里的应用.3小结SiC基材料的氧化和腐蚀已得到了广泛的注意,但由于SiC氧化腐蚀的复杂性,这个问题还远未得到澄清.以下将其中重要的观点和较可信的结果总结如下.(1)SiC材料的氧化分钝性氧化和活性氧化,其特点如表2所示.(2)钝性氧化速度的控制机理目前得到两种较共识的观点:一是氧在SiO2膜中的扩散控制机理,符合抛物线规律;另一是氧在SiO2膜中的扩散和界面反应协同控制机理,近似符合抛物线规律.(3)对钝性氧化影响的因素有SiO2膜的结晶状态、杂质以及水蒸汽.(4)氯气、碱金属、盐蒸汽等对SiC材料都可造成严重腐蚀.(5)SiC材料在熔融盐中腐蚀非常严重,强度下降很大.(6)Si3N4结合SiC材料的氧化和含氯气氛的腐蚀问题比较严重,氧化后的Si3N4结合SiC材料易受到熔融铝的侵蚀.(7)对商业用α2SiC材料在不同条件下的氧化腐蚀实验结果总结如表3所示,可见SiC材料钝性氧化并不严重,但氯气或碱金属造成的活性腐蚀则非常严重,在应用过程中应引起重视.T able3Oxid ation results ofsome commercialα2SiCtΠ℃timeΠh EnvironmentOxidation degreeΠmg・cm-2 13001000dry air0.18[19]1300100air240%H2O0.3[19]140020Ar2O2,P O2=1.5×10-5MPa22.3[22] 100052%Cl222%O22Ar2120[26]130075Ar220%O223%H2O20.5%NaCl250[24]T able2Oxid ation beh avior of SiCOxidation Rate Degree W eight change Processing F ormula C onditionPassive Fast N o serious G ain O2reacts with S iC bydiffusion through S iO2Parabolic M edium or high O2partial pressureActive S low Serious Loss O2reacts with S iCdirectly Linear Low O2partialpressure(下转第120页) 3112期 潘牧等:碳化硅(S iC)基材料的高温氧化和腐蚀Fig.5T g of partially cured samples plotted vs extraction DOC 3结论溶剂萃取法具有测量精度高、重复性好、价格便宜、操作简便等优点,最适于用作涂层的快速检测方法.致谢　史杰智副研究员在试验制备过程中提供了有益的帮助.参考文献〔1〕Raym ond B,Seym our.J.C oat.T echn.,1987,59(745):49〔2〕D G ray,W H Lunn,O M cardle.C orrosion′83,118〔3〕Dennis Neal.M aterials Perfomance,1993,2:49〔4〕周钟泉.【硕士论文】,沈阳:中国科学院金属腐蚀与防护研究所,1996年〔5〕Dennis Neal.M aterials Perfomance,1994,2:26(上接第113页)参考文献〔1〕梁训裕,刘景林编译.碳化硅耐火材料.北京:冶金工业出版社,1981,1〔2〕Penty R A,Bjerklie J W.Ceram.Eng.Sci.Proc.,1982,3:120〔3〕宣益民,李强.动力工程,1996,16(1):53〔4〕马旺.工业炉,1994,72(2):11〔5〕高瑞平,李清华,彭达岩,等.中国有色金属学报,1995,5(增刊2):420〔6〕郝小勇.中国陶瓷,1995,31(1):1〔7〕潘裕柏,江东亮,潭寿洪.耐火材料,1994,28(1):55〔8〕李志强,肖俊明,刘铭,等.中国陶瓷,1997,33(4):19〔9〕Johnston M W,Little J A.J.M at.Sci.,1990,25:5284〔10〕Riccitiello S R,Love W L,Peters on A B.in Proc.of Advanced M aterials:M eeting the Economic Challenge,T 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碳化硅环氧树脂涂料喷涂工艺研究陈通刘祥萱王煊军周友杰(陕西第二炮兵工程学院,西安710025)摘要研究获得了一种溶剂型高固体含量的碳化硅环氧树脂涂料工艺配方,并总结了喷涂过程常见问题及其解决方法;重点分析了几种分散剂和活性稀释剂对涂料黏度的影响,及分散剂对涂料中碳化硅分散性的影响。

结果表明,分散剂能改善涂料的粘度及碳化硅的分散性,含量20 %活性稀释剂能显著地降低涂料黏度;力学性能测试表明,涂层附着力1 级,弯曲强度2mm 无破坏。

关键词碳化硅, 环氧涂料, 喷涂工艺, 分散剂Study on spra y technol ogy of SiC/ epoxy resin coat i ngChe n To n g L i u Xia n gxua n Wa n g Xua n j u n Zho u Y o u jie( The seco n d A r tille r y Engi n eeli n g C o lle g e , X i’a n710025)Abstract G ai n ed a t ech nolo g y p r o ce s s of so lvent S iC/ epo x y re s in co ating wit h hign p e rcent age of so lid po w der , re2 viewe d t he f requent p ro blem s in sp ray a n d summarized t he met ho d to deal wit h it ; Focused o n di scussing t he eff ect of s o m e di sp er sere s and act ive t hin nere s to vi sco sit y of coating , and t he eff ect of di sp er ser to S iC di sp er sive p rop e rt y in coating ,t h e re sult s sho wed t hat di sp er ser ca n imp ro v e t he vi sco sit y of co ating and S i C dip er sive p ropert y in co ating , a nd 20 % Active t hinner ca n dra mat ically decrea se t h e vi sco sit y of coating. Finally t he result of mechanical p erfo r mance mea surement of co ating p r esent ed t h e adhesio n wa s 1 grade a n d bend t en sio n i s 2 m m.K ey w ords S i C , epo x y re s in , sp r ay t ech nolo g y , di s p e r s a n t碳化硅是一种性能优异的非氧化物陶瓷材料。

环境障涂层失效机理研究进展范金娟;常振东;陶春虎【摘要】环境障涂层涂覆在SiC/SiC复合材料表面,阻止或减缓水蒸气对基体材料的腐蚀,提高SiC陶瓷基复合材料的服役温度与寿命.环境障涂层使用温度高,所用材料一般为脆性陶瓷类材料,极易发生损伤失效,其失效机理研究伴随整个材料体系的发展过程,与服役环境密切相关.本研究主要综述环境障涂层在高温氧化、热冲击及水氧耦合典型工作环境下的失效机理研究进展.结果表明:环境障涂层失效除了与涂层各层的稳定性有关,还受各层之间的相容性影响;建议今后新型涂层研制中关注各层之间的反应.【期刊名称】《失效分析与预防》【年(卷),期】2017(012)006【总页数】6页(P386-391)【关键词】环境障涂层;氧化失效;热冲击失效;水氧耦合失效【作者】范金娟;常振东;陶春虎【作者单位】中国航发北京航空材料研究院, 北京100095;中国航发北京航空材料研究院, 北京100095;中国航发北京航空材料研究院, 北京100095【正文语种】中文【中图分类】TG174.40 引言航空发动机向高推重比方向的发展，使得涡轮叶片等发动机热端部件所经受的燃气温度和燃气压力不断提高，传统的高温合金材料将很难满足上述要求[1-2]。

因此，必须寻求更先进更可靠的新型高温结构材料、替代目前耐温能力已接近极限的高温合金。

SiC/SiC陶瓷基复合材料具有低密度、高比强、高比模、耐高温、抗烧蚀、抗氧化等优异的性能，且对裂纹不敏感、没有灾难性损毁，被认为是未来最有潜力的高温结构材料之一，可应用于高推重比航空发动机涡轮叶片、燃烧室、尾喷管等热端部件[3-5]。

在干燥气氛中，SiC/SiC陶瓷基复合材料表面生成一层SiO2保护膜，可以减缓氧气的进入，具有优异的抗高温氧化性能。

但在航空发动机燃气环境中，SiC/SiC复合材料表面生成的SiO2会与水蒸气反应，生成Si(OH)4气体，并被高速运动的气流带走，使SiC/SiC基体尺寸成线性减小，性能急剧下降[6-11]。

耐事故燃料包壳涂层材料研究现状耐事故燃料包壳涂层材料是指在核电站等事故中，能够抵御高温、高压冲击力和腐蚀性物质侵蚀的材料。

它不仅能够保护燃料包壳，防止辐射物质泄漏，还可以提高燃料的使用寿命和核电站的安全性能。

目前，研究人员已经提出了多种耐事故燃料包壳涂层材料，并取得了一定的研究成果。

传统的耐事故燃料包壳涂层材料主要有碳化硅、铝氧化物和钛合金等。

碳化硅作为一种高温材料具有较好的抗氧化性能和机械强度，被广泛应用于耐事故燃料包壳涂层中。

铝氧化物和钛合金具有良好的耐腐蚀性和高温稳定性，也被研究人员用于开发耐事故燃料包壳涂层材料。

然而，尽管传统材料在一定程度上能够满足耐事故燃料包壳涂层的需求，但存在着一些不足之处。

首先，传统材料的热膨胀系数与燃料包壳的热膨胀系数不匹配，容易导致涂层与基体之间产生应力，引起剥落和裂纹的问题。

其次，传统材料的热导率较低，导致燃料包壳温度分布不均匀，影响燃料的使用寿命。

此外，传统材料的制备工艺复杂，成本较高，难以实际应用于核电站等工程项目。

面对传统材料的不足，研究人员开始探索新型的耐事故燃料包壳涂层材料。

一种被广泛研究的新型材料是碳纳米管。

碳纳米管具有极高的热导率和机械强度，可以改善涂层与基体之间的应力分布，并提高燃料包壳的热传导性能。

此外，碳纳米管还具有较好的辐射吸收性能，能够吸收并分散放射性物质，减少事故后的辐射泄漏。

研究人员通过改变碳纳米管的尺寸、比表面积和结构等因素，进一步增强了其性能，使其成为一种有潜力的耐事故燃料包壳涂层材料。

另一种备受关注的新型材料是液态金属。

液态金属是指某些金属在常温下呈液态的物质，具有良好的热传导性能和机械可塑性。

研究人员通过将液态金属涂覆在燃料包壳表面，实现了对燃料包壳的保护。

液态金属材料的优势在于其热膨胀系数与包壳材料相匹配，能够减少涂层与基体之间的应力，防止涂层剥落。

此外，液态金属还具有较好的耐腐蚀性能，能够抵御氧化物和溶液的侵蚀。

然而，液态金属材料在制备和加工过程中存在较大的难度，限制了其在实际应用中的推广。