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.

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。

SiC纤维预制体结构对SiC_(f)/BN/SiC复合材料致密化和力学性能的影响

为了研究碳化硅(SiC)纤维预制体的结构对SiC基体的化学气相渗透(CVI)工艺致密化过程的影响,利用模拟计算方法分析了2D叠层、2.5D和3D正交三种编织结构SiC预制体在SiC致密化过程中的孔隙结构演变规律,并采用三氯化硼-氨气-氢气-氮气(BCl_(3)-NH_(3)-H_(2)-N_(2))混合气体和三氯甲基硅烷-氢气-氮气(MTS-H_(2)-N_(2))混合气体作为前驱体,利用CVI致密化工艺制备出三种预制体结构的SiC_(f)/BN/SiC复合材料。结果表明,SiC纤维预制体结构不同,SiC_(f)/BN/SiC复合材料的致密化效率不同,其中2.5D纤维预制体的致密化速率最快,3D正交预制体的致密化速率最慢。致密化120 h后,三种预制体结构的复合材料密度均达到2.3 g/cm~3以上,开孔率为10%左右。三种结构的SiC_(f)/BN/SiC复合材料拉伸强度为130~170 MPa。在层间剪切过程中,2D结构SiC_(f)/BN/SiC复合材料与2.5D结构SiC_(f)/BN/SiC复合材料样品都出现了XY面的纤维剥离现象,而3D结构SiC_(f)/BN/SiC复合材料样品发生了正交Z向纤维的断裂。由此可知,SiC纤维预制体结构影响了所形成复合材料的致密化过程和力学性能。

SiC电力电子学产业化技术的创新发展

进入21世纪后,宽禁带半导体SiC电力电子学发展迅速,SiC二极管和SiC金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)先后进入商品化,在电动汽车等绿色能源的应用发展的带动下,SiC电力电子学进入产业化快速发展阶段。介绍了SiC电力电子学在大尺寸SiC单晶,低成本SiC功率器件制造,SiC二极管、SiC MOSFET、SiC绝缘栅双极晶体管(IGBT)和SiC门极关断晶闸管(GTO)等功率器件,SiC封装和模块,以及高开关频率SiC器件的应用创新等产业化技术方面的最新进展。其中包含了大尺寸SiC单晶生长技术,基于商用Si CMOS生产线的SiC功率器件制备新工艺,SiC二极管的新结构与新工艺,SiC MOSFET的超级结结构、FinFET结构、高k介质栅与可靠性技术,SiC IGBT和SiC GTO的n沟道新器件及载流子寿命增强新工艺,SiC功率模块的设计与新装联工艺,SiC功率器件应用的新拓扑结构,栅极驱动电路与抑制寄生效应的新技术等。分析和评价了SiC电力电子学产业化的发展态势。

浸锑石墨与无压烧结SiC和3D打印SiC密封材料配对副的摩擦磨损特性研究

为研究干气密封用密封材料的摩擦学特性,采用销盘旋转试验台研究3种浸锑石墨在干摩擦条件下分别与无压烧结SiC和3D打印SiC配对时的摩擦磨损特性,探讨了速度、载荷对密封材料摩擦磨损特性的影响,揭示了配对副材料表面的磨损机理。结果表明:随着载荷p与速度v的乘积(pv值)的增大,摩擦因数和磨损率均呈现逐渐减小趋势;在pv值较小时磨损机理为严重的磨粒磨损和轻微的黏着磨损,在pv值较高时磨损主要发生在碳化硅摩擦表面黏附的石墨转移层间,磨损机理主要表现为黏着磨损;在研究pv值变化对浸锑石墨与SiC密封材料配对副摩擦磨损特性的影响时,首选定载荷变速度试验方法。

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.

考虑驱动电压与开关时序协同调控的Si/SiC混合器件开关策略

硅基(Si)绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)和碳化硅基(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(metal oxide semiconductor field effect transistor,MOSFET)并联组成的Si/SiC混合器件,已被证实具有SiC MOSFET的高开关频率、低开关损耗特性和Si IGBT的大载流能力、低成本的优势。然而,目前Si/SiC混合器件性能提升的研究并未兼顾效率和可靠性,且存在调控手段单一的劣势。基于此,该文详细分析不同负载电流下驱动电压、开关时序等调控参数对Si/SiC混合器件损耗和电应力的影响,提出一种考虑驱动电压与开关时序协同调控的Si/SiC混合器件开关策略。所提开关策略通过不同电流区间采用驱动电压与开关时序相配合的方式,在保障Si/SiC混合器件可靠性的前提下,提高其运行效率。该文搭建双脉冲测试实验平台与稳态参数测量实验平台对所提开关策略进行验证。实验结果表明,相较于传统开关策略,Si/SiC混合器件采用本文所提开关策略在开通损耗、关断损耗以及导通损耗方面分别减少13%、21%和32%。

SiC_xO_y相分解方式对SiCO(Al)纤维烧结致密化的影响

研究了SiCO（Al）纤维向SiC（A1）纤维的高温转化过程，并研究了纤维中SiCxOy相的分解特征及不同高温处理方式对纤维结构和烧结致密化的影响。结果表明：纤维中SiCxOy相分解的温度范围为1430-1850℃，当采用连续处理方式处理，即使在1800℃下，纤维芯部SiCxOy相未能彻底分解，且快速分解速率导致纤维中形成粗大结晶颗粒和气孔，无法得到致密的高结晶结构。而在静态条件下处理，可以提高SiCxOy相分解程度。1650℃下保温处理1h后可以完全脱除SiCxOy相，同时保持晶粒均匀。再经过1900℃烧结，即可制得呈致密高结晶结构SiC（Al）纤维。

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%。

原位自生SiC晶须对原料预氧化SiC耐磨材料显微结构和性能的影响

以Si粉、活性炭、预氧化的SiC颗粒为原料,于埋炭条件下经1500℃保温3h烧制后,制备出了原位自生SiC晶须复合SiC耐磨材料,并研究了SiC晶须对原料预氧化SiC耐磨材料性能的影响,并分析了这些性能和显微结构间的关系。结果表明,原位自生SiC晶须可提高SiC耐磨材料的致密度和力学性能,并在Si粉和活性炭共同添加量为12 wt.%时改善效果较佳,对应试样的抗冲击强度和硬度分别为29.91 kJ·m^(-2)和98(HRB),磨耗比为4.49。这是因为原位自生的SiC晶须充填在SiC颗粒间的孔隙中,形成了均匀的网络结构,且其伴生的SiO_(2)和SiC原料预氧化的产物SiO_(2),均可与α-Al_(2)O_(3)添加剂反应生成莫来石,增强了晶须与基体间的结合力。当SiC耐磨材料受到外力作用时,这些与基体结合较好的SiC晶须,可通过拔出、裂纹的偏转和桥联等途径改善SiC耐磨材料的力学性能。

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)。

SiC纳米线对大气等离子喷涂硅涂层性能的影响

为提升C/SiC复合材料表面Si涂层的韧性及其与C/SiC复合材料的结合强度,首先以10 mm×10 mm×10 mm的C/SiC复合材料作为基体,在基体表面生成约20μm厚的SiC纳米线(SiCnws)多孔层;再用大气等离子体喷涂法分别将生长SiCnws的基体和未生长SiCnws的基体喷涂约30、60、90μm厚的Si涂层。研究SiCnws对涂层试样的结合强度和抗氧化性的影响,并借助XRD、SEM、TEM和EDS对所制备的SiCnws和SiCnws/Si涂层进行物相组成、显微结构的分析。结果表明:1)制备的SiCnws形状平直,表面光滑,取向随机,直径为100~200 nm,是沿[111]晶向择优生长的β-SiC;2)SiCnws引入到Si涂层后,SiCnws/Si涂层试样的结合强度均比相应的Si涂层试样的高,说明SiCnws增强了Si涂层与C/SiC复合材料的结合;3)从室温至1400℃经历12次热震循环后,SiCnws/Si涂层试样的质量损失率比相应Si涂层试样的低20.7%~37.2%,说明SiCnws能有效缓解热应力,抑制裂纹的形成和扩展,降低裂纹尺寸和数量,提高涂层的抗氧化性。

SiC电力电子学产业化技术的创新发展(续)

进入21世纪后,宽禁带半导体SiC电力电子学发展迅速,SiC二极管和SiC金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)先后进入商品化,在电动汽车等绿色能源的应用发展的带动下,SiC电力电子学进入产业化快速发展阶段。介绍了SiC电力电子学在大尺寸SiC单晶,低成本SiC功率器件制造,SiC二极管、SiC MOSFET、SiC绝缘栅双极晶体管(IGBT)和SiC门极关断晶闸管(GTO)等功率器件,SiC封装和模块,以及高开关频率SiC器件的应用创新等产业化技术方面的最新进展。其中包含了大尺寸SiC单晶生长技术,基于商用Si CMOS生产线的SiC功率器件制备新工艺,SiC二极管的新结构与新工艺,SiC MOSFET的超级结结构、FinFET结构、高k介质栅与可靠性技术,SiC IGBT和SiC GTO的n沟道新器件及载流子寿命增强新工艺,SiC功率模块的设计与新装联工艺,SiC功率器件应用的新拓扑结构,栅极驱动电路与抑制寄生效应的新技术等。分析和评价了SiC电力电子学产业化的发展态势。

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。

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。

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。

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。

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。