SiC/SiC复合材料高温力学性能研究

以聚碳硅烷为连续SiC陶瓷基体相的先驱体,三维四向SiC纤维预制体为增强相,采用聚合物先驱体浸渍裂解工艺制备了SiC纤维增强SiC陶瓷基(SiC/SiC)复合材料,分析表征了复合材料的组成、结构和力学性能.结果表明,SiC/SiC复合材料室温弯曲强度和断裂韧性分别为400 MPa和16.5 MPa·m1/2,优异的室温力学性能可以保持到1350℃.随着温度增加,弯曲强度基本不变,1350℃时因界面层受到破坏而断裂韧性稍有下降.     

TiB2增强SiC基复合材料的研究进展

SiC陶瓷由于具有高温强度高、抗氧化性能好、热导率高、化学稳定性好等优异的综合性能,已成为极有吸引力的磨损和高温结构材料,但较低的室温强度和断裂韧性以及对缺陷的高度敏感性限制了其应用范围.在SiC基体中添加过渡金属硼化物或碳化物是解决这些问题的有效方法之一.本文综述了国内外在TiB2增强SiC基复合材料方面的研究进展,并展望了该体系复合材料今后研究的重点方向.     

SiC/Al复合材料的热导率研究

用无压浸渗法制备了高导热的SiC/Al电子封装材料.采用光学显微镜、X射线衍射仪、扫描电镜和激光热导仪对复合材料导热率、晶体结构和微观形貌进行了分析,研究了SiC颗粒大小、形状、体积分数、基体中Mg的含量和预氧化等参数对SiC/Al复合材料的导热率的影响.结果表明,选择适当的原料参数和工艺参数可制得导热率高达172.27 W/(m·k)的SiC/Al复合材料,满足电子封装材料的要求.     

C/SiC复合材料表面SiC/Zr-Si-C/SiC复合涂层的制备及性能研究

为提高C/SiC复合材料的抗氧化性能,设计了致密的CVD-SiC涂层和多孔的熔盐法Zr-Si-C涂层相间的涂层体系.通过实验测试,建立了该涂层的生长模型,并考核了材料在1773 K的抗氧化性能.氧化结果显示,材料在氧化2h后的失重率为仅0.67;,弯曲强度保留率为99.7;,不同组成相间的结构涂层呈现出优异的抗氧化性能.     

成型压力对SiCnf增韧SiC陶瓷基复合材料微观结构和性能的影响

研究采用不同成型压力制备不同体积分数的SiC纳米纤维预制体,并通过前驱体浸渍裂解和反应熔渗联用工艺制备了SiC纳米纤维增韧SiC陶瓷基复合材料。研究了成型压力对SiC陶瓷基复合材料结构和性能的影响。结果表明,通过模压成型可实现高体积分数的SiC纳米纤维预制体的制备。当成型压力为40 MPa时,预制体SiC纳米纤维体积分数高达22.13%,但过高的成型压力也会导致SiC纳米纤维断裂。相较于单一前驱体浸渍裂解工艺,采用前驱体浸渍裂解和反应熔渗联用工艺制备的复合材料孔隙率显著降低,材料平均孔隙率从14.19%降至1.43%。当成型压力为30 MPa时,复合材料中游离硅含量低且SiC纳米纤维断裂少,材料抗弯强度和断裂韧性分别达到最大值178 MPa和21.6 MPa·m^1/2。     

SiC/SiC复合材料的原位合成与表征

采用常压烧结原位反应合成的方法制备了SiC/SiC复合材料,碳和硅是以滤纸和酚醛树脂为C源,采取滤纸表面涂覆Si粉树脂悬浮液的方法引入.采用XRD,SEM以及EDAX分别分析了材料的组成和微观机构,并重点分析了复合材料中SiC纳米线的生成与生长机理.结果表明,在温度为1430℃时,制备的SiC纳米线表面光滑,尺寸均一,长径比大于103,其生长机制为VS机制,由此开发了一种一步法制备SiC/SiC复合材料的新方法.     

沉积温度对硬质合金表面MPCVD法制备SiC过渡层的影响

采用MPCVD法,以氢气和四甲基硅烷为先驱气体,YG6硬质合金刀片为基体材料,在不同沉积温度下制备了SiC涂层;并选用致密连续且附着性能优良的SiC涂层作为过渡层制备金刚石涂层.使用场发射扫描电镜、能谱仪和掠X射线衍射仪对SiC涂层和金刚石涂层的形貌和组成进行了分析,并对SiC涂层和金刚石涂层的附着力进行测试.结果表明,随着沉积温度升高,SiC涂层先由团聚在一起的β-SiC微晶相先转变为颗粒状和片状β-SiC,进而转变为团聚在一起的非晶态的SiC晶须;SiC涂层的厚度呈递增、致密度呈现先增强后减弱、表面粗糙度整体呈现先减小后增大、附着力呈先升高后降低的趋势.沉积温度为800℃时制备的片状SiC涂层与硬质合金基体有着良好的结合强度,将其作为过渡层时,能够在硬质合金表面制备出均匀、连续、致密的且附着力良好的金刚石涂层.     

SiC对MgO-CaO-C耐火材料抗氧化性能的影响

以SiC为抗氧化剂添加至MgO-CaO-C耐火材料中,研究了SiC对提高MgO-CaO-C耐火材料抗氧化性能的作用及抗氧化机理.通过TG-DSC、XRD、显气孔率测定以及近似计算氧化层面积等进行分析和鉴定.结果表明:加入SiC后MgO-CaO-C耐火材料的抗氧化性能得到显著提高,结构更加致密.材料中SiC大约在1210℃开始与氧气反应,反应后生成的SiO2继续和MgO反应生成镁橄榄石,从而填充气孔形成致密氧化层阻止碳的进一步氧化.     

Al2O3-SiO2-TiO2表面涂层对3D-Cf/SiC复合材料力学性能的影响

采用溶胶凝胶法在三维碳纤维预制体(3D-Cf)表面形成Al2O3-SiO2-TiO2涂层,而后采用先驱体浸渍裂解工艺(PIP)制备了3D-Cf/SiC复合材料,通过SEM、XRD等分析测试手段以及三点弯曲等试验方法,研究了碳纤维的界面对复合材料的微观结构、力学性能的影响.结果表明,Al2O3-SiO2-TiO2涂覆处理后的碳纤维的强度约为原始碳纤维的96.8;,涂层碳纤维在复合材料断裂过程中起到了较好的增韧作用,涂层处理后的3D-Cf/SiC复合材料的抗弯强度达303 MPa,断裂韧度达6.5 MPa/m1/2.     

先驱体浸渍裂解结合反应熔渗法制备Cf/ZrC-SiC复合材料

以先驱体浸渍裂解结合反应熔渗工艺将Cf/C-SiC材料内部富余的自由碳相转变为ZrC超高温陶瓷,制备了Cf/ZrC-SiC复合材料.对Cf/C-SiC基材的孔隙进行了设计,利用XRD和SEM分析了Cf/ZrC-SiC复合材料的微观结构和物相组成.结果表明:采用PIP法可制备具有理想孔隙率的Cf/C-SiC基材;1800℃熔渗Zr-Si合金反应制得的Cf/ZrC-SiC材料主要由SiC和ZrC相组成;高温条件下熔融金属与基体反应的同时,还会侵蚀碳纤维.热解碳涂层能保护纤维.     

4H-SiC衬底表面SiC薄膜的同质外延生长

以4H-SiC为衬底,在不同衬底温度下进行SiC薄膜的同质外延生长。利用反射式高能电子衍射(RHEED)、扫描电子显微镜(SEM)、拉曼(Raman)等测试手段,对生长样品的结构和结晶质量进行了表征。根据测试结果发现,在衬底温度为1200℃时能够得到质量较高的薄膜,在另外两个温度(1100℃和1300℃)条件下得到的薄膜质量是较差的。     

大尺寸电阻加热式碳化硅晶体生长热场设计与优化

大尺寸低缺陷碳化硅(SiC)单晶体是功率器件和射频(RF)器件的重要基础材料,物理气相传输(physical vapor transport, PVT)法是目前生长大尺寸SiC单晶体的主要方法。获得大尺寸高品质晶体的核心是通过调节组分、温度、压力实现气相组分在晶体生长界面均匀定向结晶,同时尽可能减小晶体的热应力。本文对电阻加热式8英寸(1英寸=2.54 cm)碳化硅大尺寸晶体生长系统展开热场设计研究。首先建立描述碳化硅原料受热分解热质输运及其多孔结构演变、系统热输运的物理和数学模型,进而使用数值模拟方法研究加热器位置、加热器功率和辐射孔径对温度分布的影响及其规律,并优化热场结构。数值模拟结果显示,通过优化散热孔形状、保温棉的结构等设计参数,电阻加热式大尺寸晶体生长系统在晶锭厚度变化、多孔介质原料消耗的情况下均能达到较低的晶体横向温度梯度和较高的纵向温度梯度。     

气体流量及配比对CVD SiC膜层的影响

本文以甲基三氯硅烷(MTS)为先驱体原料,H2为载气,采用化学气相沉积工艺在反应烧结碳化硅表面制备SiC致密膜层。研究了不同反应气体流量及配比对CVD碳化硅膜层的影响。结果表明:反应气体的流量对膜层的表面形貌影响较大,较大的气流量容易使膜层剥落;减小反应气体流量有利于改善膜层的均匀性。H2/MTS比例影响沉积SiC膜层的相组成。当沉积温度为1200℃,H2/MTS比例为6∶1时,得到的膜层由SiC和C两相组成;当H2/MTS比例为12∶1时,膜层由SiC和Si两相组成;当H2/MTS比例为10∶1时,得到单一相的SiC膜层。在优化的工艺参数下,制备出致密的CVD膜层,经过光学加工后膜层的表面粗糙度为0.72 nm,平面度RMS为0.015λ(λ=0.6328μm)。     

Dependence of chemical composition and bonding of amorphous SiC on deposition temperature and the choice of substrate

Amorphous SiC has superior mechanical, chemical, electrical, and optical properties which are process dependent. In this study, the impact of deposition temperature and substrate choice on the chemical composition and bonding of deposited amorphous SiC is investigated, both 6 in. single-crystalline Si and oxide covered Si wafers were used as substrates. The deposition was performed in a standard low-pressure chemical vapour deposition reactor, methylsilane was used as the single precursor, and deposition temperature was set at 600 and 650 °C. XPS analyses were employed to investigate the chemical composition, Si/C ratio, and chemical bonding of deposited amorphous SiC. The results demonstrate that these properties varied with deposition temperature, and the impact of substrate on them became minor when deposition temperature was raised up from 600 °C to 650 °C. Nearly stoichiometric amorphous SiC with higher impurity concentration was deposited on crystalline Si substrate at 600 °C. Slightly carbon rich amorphous SiC films with much lower impurity concentration were prepared at 650 °C on both kinds of substrates. Tetrahedral Si-C bonds were found to be the dominant bonds in all deposited amorphous SiC. No contribution from Si-H/Si-Si but from sp² and sp³ C-C/C-H bonds was identified.     

高温溶液法生长SiC单晶的研究进展

碳化硅(SiC)作为第三代半导体材料,不仅禁带宽度较大,还兼具热导率高、饱和电子漂移速率高、抗辐射性能强、热稳定性和化学稳定性好等优良特性,在高温、高频、高功率电力电子器件和射频器件中有很好的应用潜力。高质量、大尺寸、低成本SiC单晶衬底的制备是实现SiC器件大规模应用的前提。受技术与工艺水平限制,目前SiC单晶衬底供应仍面临缺陷密度高、成品率低和成本高等问题。高温溶液生长(high temperature solution growth, HTSG)法生长SiC单晶具有晶体结晶质量高、易扩径、易实现p型掺杂等独特的优势,有望成为大规模量产SiC单晶的主要方法之一,目前该方法的主流技术模式是顶部籽晶溶液生长(top seeded solution growth, TSSG)法。本文首先回顾总结了TSSG法生长SiC单晶的发展历程,接着介绍和分析了该方法的基本原理和生长过程,然后从晶体生长热力学和动力学两方面总结了该方法的研究进展,并归纳了该方法的优势,最后分析了TSSG法生长SiC单晶技术在未来的研究重点和发展方向。     

SiC晶体的PVT生长系统及测温盲孔对热场的影响

实验中研究了不同结构参数的测温盲孔对晶体生长面热场的影响,结果分析表明:径向温度梯度和轴向温度梯度与测温盲孔的深度和半径近似成正比关系,但测温盲孔尺寸变化对径向温度梯度和轴向温度梯度的影响效果不同;改变测温盲孔尺寸适于调节径向温度梯度;测温盲孔半径和深度的增加均可导致坩埚盖上SiC多晶生长速率提高.     

碳化硅单晶生长用高纯碳化硅粉体的研究进展

碳化硅(SiC)以其宽带隙、高临界击穿场强、高热导率、高载流子饱和迁移率等优点,被认为是目前较具发展前景的半导体材料之一。近年来,物理气相传输(PVT)法在制备大尺寸、高质量SiC单晶衬底方面取得了重大突破,进一步推动了SiC在高压、高频、高温电子器件领域的应用。SiC粉体是PVT法生长SiC单晶的原料,其纯度会直接影响SiC单晶的杂质含量,从而影响SiC单晶的电学性质,其中生长高质量的半绝缘SiC单晶更是直接受限于SiC粉体中N元素的含量。因此,合成高纯的SiC粉体是PVT法生长高质量SiC单晶的关键。本文主要介绍了高纯SiC粉体的合成方法及研究现状,重点对气相法和固相法合成高纯SiC粉体的优缺点进行了评述,并提出了今后高纯SiC粉体合成的发展方向。     

低温热处理温度对SiC衬底上CuAlO2薄膜特性的影响

为了解决双极型碳化硅(SiC)功率器件中由于p型SiC在室温下难以完全电离所导致的p+n发射结注入效率低的问题,提出将p型CuAlO₂与n型SiC形成的异质结作为发射结以提高该结的注入效率。本文利用溶胶凝胶(sol-gel)方法,在4H-SiC衬底上制备了CuAlO₂薄膜,研究了低温热处理温度对CuAlO₂薄膜晶体结构、表面形貌、光学特性的影响。结果表明:较高的热处理温度可以促进中间产物CuO的生成,进而在固相反应阶段促进CuAlO₂相的产生,最终制备的CuAlO₂薄膜主要以CuAlO₂相的(012)晶向择优取向。随着低温热处理温度的升高,薄膜的表面均匀致密,空位缺陷含量降低,结晶质量提高。当低温热处理温度为300 ℃时,CuAlO₂薄膜晶粒尺寸约为35 nm。此外,CuAlO₂薄膜在可见光范围内的透过率超过70%,且随着预处理温度升高,薄膜光学带隙略有增加。     

半绝缘碳化硅单晶衬底的研究进展

碳化硅(SiC)被认为是最重要的宽禁带半导体材料之一,具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强等优越性质。基于SiC材料制备的半导体器件不仅能在更高的温度下稳定运行,而且在高电压、高频率状态下也具有更高的可靠性。近20年来,随着材料生长技术、制造工艺与器件物理的迅速发展, SiC材料及器件在雷达、5G通信、电动汽车等领域获得了广泛应用,对国防工业发展、国家信息安全、国民经济建设均产生了极其重要的影响。在以SiC为基础的大功率半导体器件产业链中,高质量的SiC单晶制备及其产业化是最为重要的一环。本文针对半绝缘SiC单晶衬底材料国内外发展进行了分析归纳,重点介绍了山东大学半绝缘SiC的研究历程、现状,并对研究和产业发展、存在的挑战做了论述。