单轴应变对本征和N掺杂4H-SiC电子结构的影响

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了单轴应变对本征和N掺杂4H-SiC电子结构的影响.研究表明应变可以有效调控本征和N掺杂4H-SiC的带隙,在拉应变作用下,带隙单调减小;而在压应变作用下,带隙先增大后减小,当压应变为-1%时,带隙达到最大值.对态密度的分析可知本征和N掺杂4H-SiC的价带顶主要来自Si 3p和C 2p态电子,导带底主要来自Si 3p态电子,C 2p态和Si 3p态通过影响价带顶和导带底从而导致应变结构中带隙发生变化.通过Mulliken布局和差分电荷密度分析可知,随着晶格常数的增加Si原子向C原子和N原子转移的电荷减少,同时Si-C原子和Si-N原子之间的共价性减弱.

Li掺杂对4H-SiC光电性质影响的理论研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算了Li掺杂4H-SiC体系的电子结构及光学性质.结果表明,掺杂前后的4H-SiC均为间接带隙半导体,Li原子间隙掺杂后形成n型半导体,Li原子替位式掺杂体系的禁带中出现了杂质能级,降低了电子跃迁时所需的能量;对电荷差分密度图的分析表明,Li原子失去电子,导致Li-C键和Li-Si键的共价性降低,以离子性为主;在可见光区域,相比于4H-SiC体系,掺杂体系的吸收率峰值均有所提高,其中Li间隙掺杂体系吸收带边最小,吸收率峰值最大,掺杂后的4H-SiC体系对红外、可见光、紫外均能够有所吸收,说明Li掺杂能够有效拓宽4H-SiC对光的响应范围.

高灵敏度SiC动态高温压力传感器仿真研究

为了提高碳化硅(SiC)动态高温压力传感器的灵敏度,采用p型SiC材料,同时对传感器的敏感单元的不同结构———方膜和圆膜,利用Ansys软件进行了静力学仿真与分析,并完成了敏感芯片的尺寸设计。仿真结果表明:优化后的传感器输出灵敏度为14.2μV/(V·kPa)。在100~600℃内非线性误差小于1.53%。动态仿真表明:传感器的固有频率为481kHz,传感器可以在160kHz高频环境中安全工作,该结果为进一步制备SiC高温压力传感器奠定了理论支撑。

316L不锈钢掺杂SiC环状同轴送粉TIG熔覆层组织结构与性能

TIG熔覆是经济高效的表面修复方法,与传统的预置粉末法相比,同轴送粉法具有优良的适应性,但是试验研究相对较少.自主设计制造了环状同轴送粉TIG熔覆焊枪,与管状同轴送粉TIG熔覆焊枪相比,制造的熔覆层不存在熄弧位置凹坑、焊缝不够平直以及焊缝熔宽不一致等问题,而且具有更高的熔覆效率.结果表明,采用优化的焊接热输入、送粉量和SiC含量参数匹配,在316L不锈钢表面进行环状同轴送粉TIG熔覆,获得了外观优良的单层单道熔覆层、单层多道熔覆层.对熔覆层进行显微硬度测量、微观组织及元素成分分析、宏观电化学腐蚀试验、微区电化学腐蚀试验以及耐磨性能测试,并与母材进行了比对,环状同轴送粉TIG熔覆导入的SiC粉末有效地提升了熔覆层的耐蚀性与耐磨性.

SiC/SiC复合材料层板低速冲击及其剩余强度试验研究

高速飞行器中的陶瓷基复合材料结构在服役过程中不可避免地会遇到低速冲击问题,低速冲击后的损伤形式以及剩余承载能力是影响飞行器结构安全的关键问题。本研究以二维编织SiC/SiC复合材料板件为研究对象,在不同能量下开展了低速冲击试验,分析了低速冲击载荷下试验件的表面损伤状态,通过计算机断层扫描技术观察了试验件内部的损伤形貌,结合冲击过程中的冲击响应曲线以及应变历史曲线,分析了SiC/SiC复合材料低速冲击过程的损伤机理。针对含勉强目视可见损伤的试验件开展了冲击后剩余强度试验,研究了勉强目视可见损伤对SiC/SiC复合材料剩余承载性能的影响。结果表明,在低速冲击载荷的作用下,试验件的表面损伤主要包括无表面损伤、勉强目视可见损伤、半穿透损伤以及穿透损伤,试验件的内部损伤主要有锥形体裂纹、纱线断裂以及分层损伤。低速冲击损伤会严重影响SiC/SiC复合材料的剩余性能,虽然试验件损伤勉强目视可见,但其剩余压缩强度为无损件81%,剩余拉伸强度仅为无损件的68%。

适用于SiC MOSFET的漏源电压积分自适应快速短路保护电路研究

SiC MOSFET因其高击穿电压、高开关速度、低导通损耗等性能优势而被广泛应用于各类电力电子变换器中。然而,由于其短路耐受时间仅为2~7μs,且随母线电压升高而缩短,快速可靠的短路保护电路已成为其推广应用的关键技术之一。为应对不同母线电压下的Si C MOSFET短路故障,文中提出一种基于漏源电压积分的自适应快速短路保护方法(drain-sourcevoltageintegration-basedadaptivefast short-circuit protection method,DSVI-AFSCPM),研究所提出的DSVI-AFSCPM在硬开关短路(hardswitchingfault,HSF)和负载短路(fault under load,FUL)条件下的保护性能,进而研究不同母线电压对DSVI-AFSCPM的作用机理。同时,探究Si CMOSFET工作温度对其响应速度的影响。最后,搭建实验平台,对所提出的DSVI-AFSCPM在发生硬开关短路和负载短路时不同母线电压、不同工作温度下的保护性能进行实验测试。实验结果表明,所提出的DSVI-AFSCPM在不同母线电压下具有良好的保护速度自适应性,即母线电压越高,短路保护速度越快,并且其响应速度受Si CMOSFET工作温度影响较小,两种短路工况下工作温度从25℃变化到125℃,短路保护时间变化不超过90 ns。因此,该文为Si CMOSFET在不同母线电压下的可靠使用提供一定技术支撑。

液体冲压发动机燃烧室C/C-SiC复合材料的烧蚀行为及力学性能

采用固体粒子和不含固体粒子在不同含氧量下的液体冲压发动机对C/C-SiC复合材料燃烧室内层进行测试,研究两种实验条件下烧蚀严重区域和一般区域的烧蚀量、烧蚀行为及材料烧蚀后的力学性能。结果表明:在含固体粒子条件下,烧蚀严重区域烧蚀量较大,而一般区域也有一定的烧蚀量,均比不含固体粒子条件下相应区域烧蚀量大;C/C-SiC复合材料表面涂层先发生氧化反应,生成的SiO_(2)玻璃态膜覆盖在涂层表面,阻挡了氧气的进入,有效地保护了基体材料。随着温度不断上升,材料发生主动氧化,气流的剥蚀和冲刷会加速该过程,使得SiO_(2)难以附着在产品内表面上,SiC基体和碳纤维失去保护而被损耗。纤维变细,强度逐渐降低,纤维的增韧效果大幅减小,两种实验条件下C/C-SiC复合材料的弯曲强度和剪切强度均发生了下降,在颗粒冲刷下,材料的力学性能损失更加严重。

SiC改性提升聚酰亚胺薄膜直流耐电晕性能的机理

传统聚酰亚胺(PI)薄膜应用到更高电压等级设备中,易产生电晕放电甚至绝缘失效。为提升聚酰亚胺薄膜耐电晕能力,实验采取碳化硅(SiC)作为增强相对PI基体相进行改性,探究SiC改性对复合薄膜耐电晕特性的影响机理。实验结果表明,随着SiC含量增加,SiC/PI复合薄膜出现非线性电导特性并逐渐增强,其同步提升的浅深陷阱密度比与载流子迁移率促进了表面电荷消散速率的增加。同时,SiC提升了15 kV直流电压下薄膜的沿面闪络和击穿时间,其中质量分数25%SiC/PI复合薄膜较纯PI膜分别提升了416.28%和298.39%。这是因为增强的非线性电导率和表面电荷消散速率,有利于空间和表面电荷运输,减少电场畸变,从而提升复合薄膜的耐电晕能力。对电晕损伤薄膜的无损区、圆状白斑区和白色堆积区进行形貌观测,发现SiC颗粒会在等离子体碰撞下形成放电阻挡层,有效减少电晕对基体相的侵蚀,延长了复合薄膜的耐电晕时间。最后发现质量分数15%SiC/PI复合薄膜为综合耐电晕与力学特性下的最优选择。

SiC_(f)/Ti65复合材料的拉伸行为研究

采用磁控溅射先驱丝法结合热等静压工艺制备SiC_(f)/Ti65复合材料,研究了SiC_(f)/Ti65复合材料室温、高温拉伸行为,揭示了SiC_(f)/Ti65复合材料拉伸断裂机制。研究结果表明:SiC_(f)/Ti65复合材料的室温、高温抗拉强度相比于Ti65合金的抗拉强度分别提升29%和164%,验证了复合材料的增强效果。SiC_(f)/Ti65复合材料的室温拉伸断裂机制为反应层断裂、纤维/基体界面脱粘、基体脆性断裂、纤维断裂、包套韧性断裂;高温断裂机制为反应层断裂、纤维/基体界面脱粘、纤维断裂、W/SiC界面脱粘、基体和包套韧性断裂。

SiC材料辐照性能的热释光表征分析研究

碳化硅(Si C)在航空航天、核裂变和核聚变反应堆等高辐照环境中有着广泛应用。由3c-SiC包覆层构成的TRISO燃料颗粒已商业化并应用于先进的高温气冷堆。其中35μm厚的3c-SiC包覆层是承受内压、阻挡裂变产物释放和高效导出核芯热能的关键层,是保证高温气冷堆安全的关键屏障之一。本文利用热释光(TL)分析对3c-SiC材料展开研究,实验证明SiC材料的发光峰强度随辐照剂量升高而增加。辐照后的发光峰随剂量增加向低温方向移动,遵循TL二阶动力学方程。在辐照环境下载能粒子使Si、C原子偏离晶体格点位置产生过饱和空位、间隙离子、错位原子等点缺陷,新增加了约194.5℃处的发光峰。晶体在生长过程中固有缺陷的浓度依赖于Gibbs自由能、结晶温度的变化,其固有缺陷浓度可以用TL的390℃发光峰表征。这两部分缺陷浓度的增加会使SiC层的包覆性能降低。本文还讨论了SiC材料的TL与Gibbs自由能、结晶温度和固有缺陷浓度的关系,SiC材料的缺陷浓度随结晶温度的增加而降低。本文研究结果对SiC包覆层的缺陷和性能分析有很好的参考价值,对辐照前后SiC包覆层的性能表征有一定的参考意义。

飞秒激光加工参数对RB-SiC表面形貌的影响

目的揭示飞秒激光加工参数对反应烧结碳化硅(Reaction-Bounded Silicon Carbide,RB-SiC)表面形貌的影响规律。方法通过改变激光能量密度和有效脉冲数,研究RB-SiC表面烧蚀槽的形貌变化规律,确定飞秒激光加工RB-SiC的去除机理。采用扫描电镜、共聚焦显微镜、X射线能谱仪和拉曼光谱仪分析RB-SiC烧蚀前后的表面形貌演变行为。结果激光能量密度在0.62~10.48 J/cm^(2)时,Si富集区域形成凹陷结构,SiC颗粒区域形成周期性结构(Laser-Induced Periodic Surface Structures,LIPSS),周期约为970 nm。随着激光能量密度的增加,凹陷结构扩大加深,表面球形纳米颗粒增多,烧蚀槽宽度呈对数增长。有效脉冲数在69~1379,Si富集区域的去除量高于SiC颗粒区域的去除量。随着有效脉冲数增加,烧蚀槽深度显著加深,凹陷结构扩展成深坑结构,飞溅至烧蚀槽外侧的纳米颗粒聚集成团簇物,由Si、SiC和非晶态SiO_(2)构成的沉积物在烧蚀槽边缘形成堆积层。结论降低激光能量密度能够减少RB-SiC表面凹陷和纳米颗粒,有助于提升烧蚀形貌的一致性。增加有效脉冲数会促进烧蚀槽底部深坑结构的产生,进而扩大Si与SiC去除量之间的差异。

高压大功率SiC MOSFETs短路保护方法

碳化硅(SiC)MOSFETs短路承受能力弱,研究其短路保护方法成为保障电力电子设备安全运行的重要课题。现有方法大多围绕低压小功率SiC MOSFETs,然而随着电压和功率等级的提升,器件特性有所差异,直接套用以往设计难以实现高压大功率SiC MOSFETs的快速、可靠保护。该文首先详细研究了几种常用短路检测方法;其次基于高压大功率SiC MOSFETs器件特性,深入对比分析了不同短路检测方法的适用性,提出一种阻容式漏源极电压检测和栅极电荷检测相结合的短路保护方法;最后搭建了实验平台验证所提方法的可行性。结果表明,提出的方法在硬开关短路故障(hard switching fault,HSF)下,保护响应时间缩短了1.4μs,短路能量降低了62.5%;且能可靠识别负载短路故障(fault under load,FUL)。

化学气相沉积SiC涂层反应特性及沉积过程的模拟研究

借助基于有限元原理的COMSOL软件和分子动力学模拟原理的Reax FF软件对化学气相沉积技术制备SiC涂层的反应特性及沉积过程进行模拟研究,为高温抗氧化复合涂层体系中SiC中间层的工艺优化及制备提供理论支持。结果表明,化学气相沉积SiC涂层过程包括前驱体三氯甲基硅烷(CH_(3)SiCl_(3))的扩散过程和热解反应过程,SiC涂层在扩散过程不会生长,仅从10^(−4)s后的热解反应过程开始生长,沉积生长过程同时伴随涂层的解离。随着入射粒子能量的增大,单位时间内沉积到基底表面的Si和C粒子数不断增加。提高粒子入射能量有利于提高SiC涂层的致密度,当入射粒子能量大于2 eV时可以实现SiC涂层的均匀生长,而当入射能量高于6 eV时,解离的Si和C粒子数量增大,不利于SiC涂层的生长。综合而言,当入射能量为3 eV时,化学气相沉积的SiC涂层综合性能最佳。

基于UIS测试的Si/SiC级联器件雪崩特性分析

与机械式断路器相比,使用半导体功率器件构成的直流固态断路器在响应时间方面有较大的优势。由低压硅金属—氧化物—半导体场效应晶体管(Si MOSFET)和高压碳化硅结型场效应晶体管(SiC JFET)构成的Si/SiC级联型器件具有优异的开断特性。半导体功率器件可靠性一直是直流固态断路器所关注的焦点问题,非箝位感性负载开关(unclamped inductive switching,UIS)测试是评估半导体功率器件可靠性的重要方法。文中通过实验和仿真的方式分析了Si/SiC级联器件在非箝位感性负载开关过程的雪崩特性。首先,通过增加器件导通时间得到了不同负载电流下的雪崩特性,结果表明,随着导通时间的增加,Si/SiC级联器件在雪崩期间出现了雪崩电压下降的异常特性。随后,通过分立式Si/SiC级联器件进行UIS测试,发现异常特性是由于SiC JFET在雪崩期间出现导通而形成的。最后,通过Si/SiC级联器件的三维电—热耦合仿真,结果表明雪崩期间SiC JFET芯片栅极铝金属层和键合线温度升高,导致SiC JFET栅极等效电阻增加,最终使得SiC JFET在雪崩期间出现导通。

低压Si MOSFETs对SiC/Si级联器件短路特性的影响

由低压硅金属-氧化物-半导体场效应晶体管(Silicon Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, Si MOSFET)和碳化硅结型场效应晶体管(Silicon Carbon Junction Field-Effect Transistor, SiC JFET)构成的SiC/Si级联(Cascode)器件,兼具了低压Si MOSFET易于驱动、SiC JFET高耐压低损耗等优点。该文采用实验和数值模拟的方式研究了低压Si MOSFET对SiC/Si级联器件短路特性的影响,结果表明,在短路过程中SiC/Si级联器件中的SiC JFET最高温度比单独的SiC JFET短路时的最高温度低,SiC/Si级联器件的短路失效时间得到了延长,并且随着Si MOSFET额定电压的增加,SiC/Si级联器件短路失效延长的时间也在增加。

多羟基糖类结合剂对Al_(2)O_(3)-SiC-C质无水炮泥性能的影响

为减少炮泥的污染,开发环境友好型炮泥,采用棕刚玉、SiC、焦炭、绢云母、蓝晶石、黏土、Si_(3)N_(4)-Fe粉等为主要原料,NS-FH为复合烧结助剂,分别以环保无污染的多羟基糖类葡萄糖和蔗糖为结合剂,制备Al_(2)O_(3)-SiC-C质无水炮泥。研究了葡萄糖或蔗糖溶液的外加量(加入质量分数分别为0、8%、9%、10%、11%、12%、13%)对该炮泥性能的影响。结果表明:以多羟基糖类葡萄糖或蔗糖为结合剂,可制得综合性能较好的Al_(2)O_(3)-SiC-C质无水炮泥;外加12%(w)的蔗糖溶液时,无水炮泥的性能最佳,其马夏值为1.14 MPa,1350℃埋石墨烧后的线收缩率、体积密度和显气孔率分别为0.72%、2.41 g·cm^(-3)和24.4%,常温耐压强度和高温抗折强度(1400℃埋碳并保温30 min)分别为40.1和12.1 MPa。

SiC陶瓷的磨削去除机理及参数对磨削力影响

为探究SiC陶瓷的磨削去除机理及磨削参数对磨削力影响规律,基于SPH(smoothed particle hydrodynamics)法建立了单磨粒冲击SiC陶瓷仿真模型,分析了SiC磨削裂纹产生和扩展机制;通过单因素试验分析了v_(s),v_(w)和a_(p)对SiC磨削去除机理、法向磨削力和切向磨削力的影响规律.结果表明,磨粒冲击导致中位裂纹和横向裂纹产生,随着磨粒压入深度的增加,横向裂纹向材料近表面区域扩展,当横向裂纹扩展至材料表面形成脆性断裂;随着v_(s)的增大,v_(w)和a_(p)的减小,磨削表面产生的凹坑区域和凹坑深度减小,塑性去除区域变大,法向磨削力和切向磨削力均呈减小趋势.研究成果为SiC构件的高效低损伤加工提供重要依据.

Ti预处理的SiC_(f)/SiC与镍基高温合金复合铸件的界面组织与强度

由SiC_(f)/SiC复合材料与K403镍基高温合金熔体制备的一体化铸件,冷却到室温时会出现自行断裂。通过采用Ti粉埋覆包渗工艺在1100℃下对SiC_(f)/SiC表面进行预处理,并在适当工艺下与K403镍基高温合金熔体进行陶瓷型精密铸造,成功实现SiC_(f)/SiC与K403镍基高温合金的一体化成形和界面的牢固结合。结果表明:Ti预处理层平均厚度为17μm左右,Ti向SiC_(f)/SiC渗透、扩散和反应,形成含TiC,Ti3SiC2,Ti5Si3Cx,SiC相的显微组织;经过与高温镍基金属液复合铸造后,预处理层演变成厚约120μm的界面反应层,其典型界面组织为Ni2Si+C+Al4C3+MC(M主要含Ti及少量的Cr,Mo,W)。预处理层的存在减轻Ni与SiC的有害石墨化反应,缓解高温金属液对SiC_(f)/SiC的热冲击,形成的界面反应层降低热膨胀系数失配造成的热应力,使得SiC_(f)/SiC与K403一体化铸件结合界面的室温剪切强度达到63.5 MPa。

纳米SiC颗粒对镁合金搅拌摩擦焊接头性能影响研究

为提高AZ31镁合金焊接接头的综合性能,文章分别研究了无纳米SiC-1道次、添加纳米SiC-1道次和SiC-4道次的搅拌摩擦焊焊接接头,通过光学显微镜、显微硬度仪和拉伸试验机分析了焊接接头的微观组织与力学性能;利用电化学工作站研究了接头的腐蚀行为,采用扫描电镜、EDS和XRD分析了接头的腐蚀形貌、元素成分和物相组成。结果表明,搅拌摩擦焊焊接接头成形良好、无缺陷;接头焊核区组织为均匀的等轴状晶粒,焊接道次的增加可有效改善SiC颗粒的分布情况,异质形核位点的存在起到了晶粒细化的作用,提高了接头的力学性能;在3.5%NaCl溶液腐蚀试验中,含SiC颗粒的接头耐腐蚀性能提升,其中SiC-4道次的接头耐腐蚀性能最佳。

有机模板孔径和烧结温度对SiC泡沫陶瓷结构和性能影响

SiC泡沫陶瓷作为一种新型多孔材料,因其强度高、硬度高、耐腐蚀、耐高温等优异性能,被广泛应用于冶金、石油化工、航空航天、生物医学等领域。以SiC为主要原料,Al_(2)O_(3)为烧结助剂,采用有机模板浸渍法制备了SiC泡沫陶瓷,研究了有机模板孔径和烧结温度对SiC泡沫陶瓷宏微观形貌、相组成、孔隙率及压缩性能的影响。结果表明:随着有机模板孔径由35 ppi增至20 ppi,SiC泡沫陶瓷的孔隙率由48.3%升至75.6%,而抗压强度由1.94 MPa降至0.40 MPa。随着烧结温度由1350℃提高至1500℃,SiC泡沫陶瓷的孔隙率由78.7%降至68.3%,抗压强度先升后降。在1450℃制备的SiC泡沫陶瓷样品抗压强度最高(1.45 MPa),其孔隙率为71.6%,孔结构完整、颗粒堆积紧密,针眼孔洞、裂纹以及脆性方石英相较少。