聚变堆结构应用SiC/SiC热导率的研究进展

得益于其优异的高温性能和韧性断裂行为以及聚变环境下的低诱导辐射,SiC/SiC复合材料在聚变堆结构应用方面有着巨大潜力。由于传统SiC/SiC复合材料的热导率难以达到要求,近年来越来越多的研究机构将研究重点放在提高该材料的热导率上。介绍了聚变堆结构应用背景下提高SiC/SiC复合材料热导率的途径及方法,综述了世界范围内该领域的研究进展,并在此基础上展望了SiC/SiC复合材料热导率的研究前景。

预制体结构对SiC_(f)/SiC复合材料力学和热性能的影响

本文采用化学气相渗透法制备了具有二维多层、三维角联锁机织和多轴三维编织三种预制体结构的SiC_(f)/SiC复合材料。在综合分析纤维排列、SiC基体和孔隙分布的基础上,详细讨论了预制体结构对SiC_(f)/SiC复合材料力学性能和热性能的影响。结果表明,复合材料的力学性能和热导率受纤维排列方式和复合材料密度的综合影响,而热膨胀系数主要受纤维排列方式的影响。此外,二维多层复合材料、三维角联锁机织复合材料和多轴三维编织复合材料的热导率可以分别用串联模型和平行模型来解释。多轴三维编织复合材料由于内部具有连续的可以作为热流快速通道的三维网状SiC基体层,因此具有较高的室温热导率。而随着温度的升高,SiC声子间的散射逐渐增强,SiC基体层在多轴三维编织复合材料中作为声子传播快速通道的作用逐渐减弱,热导率随温度降低的趋势更明显。

基于有效介质理论的碳化硅复合包壳管热导率计算模型

核燃料包壳热导率是核燃料元件传热性能研究和核安全设计的重要参数,SiC复合包壳的双层结构和其内层的SiC/SiC复合材料特性增加了预测包壳导热性能的复杂性。为预测双层SiC复合包壳及内层复合材料热导率,基于Markworth有效介质理论,考虑孔隙率、温度、中子辐照等因素对SiC/SiC复合材料热导率的影响,在Markworth有效介质理论模型的基础上进行修正,计算了第二代、第三代SiC纤维增强的不同类型SiC/SiC复合材料热导率,并建立了双层SiC复合包壳热导率计算模型,初步预测了核电厂稳态运行期间双层SiC复合包壳的热导率。计算结果表明,核电厂稳态运行4个月后,辐照肿胀变形达到饱和,含第二代纤维的包壳热导率为3.9 W/(m·K),含第三代纤维的包壳热导率为4.8 W/(m·K)。

电子封装用AlSiC复合材料热导率影响因素探讨

采用模压成型和真空压力浸渗工艺制备了高体积分数SiC增强Al基复合材料(AlSiC)。物相和显微结构研究结果表明,此种方法制备的AlSiC复合材料,组织致密且大小两种粒径的SiC颗粒均匀分布于Al基质中,界面结合强度高;SiC增强颗粒与Al基质界面反应控制良好,未出现Al4C3等脆性相。在此基础上,研究了基体金属、粘结剂用量、粗细SiC颗粒比例对复合材料热导率的影响。结果表明,以1A90高纯铝为基体的复合材料的热导率高于以6061铝合金为基体的复合材料的热导率;粘结剂用量减少时,复合材料热导率提高;当SiC体积分数一定时,AlSiC复合材料的热导率随增强体中粗颗粒SiC比例增大而增大。

用涂层热线法测量含SiC耐火混合料的热导率

以国标 (GB/T10 2 97- 98)测定非金属固体材料热导率的热线法为基础 ,对热线和热电偶等涂敷一层绝缘涂料 ,测定了含SiC的耐火混合料的热导率。采用高精密仪表及利用多点测试数据线性回归处理法 ,可提高测量结果的可靠性和精度。

SiC_p/Al复合材料导热性能的数值模拟

采用有限元方法对SiCp/Al复合材料的导热性能进行了数值模拟,建立了平面四颗粒和多颗粒随机分布复合材料测试模型,研究了颗粒体积分数、颗粒粒径、颗粒形貌以及基体对复合材料导热性能的影响。结果表明,SiCp/Al复合材料的热导率随SiC颗粒体积分数增加而下降;复合材料热导率随颗粒粒径的增大而稍有变化;球形颗粒复合材料热导率高于方形颗粒复合材料热导率,ZL101基体复合材料热导率高于ZL102基体复合材料热导率。

Y_2O_3-MgO-Al_2O_3烧结助剂对SiC陶瓷烧结和导热性能的影响

对SiC粉体进行热处理，采用Y2O3-MgO-Al2O3烧结助剂，在1750～1950℃下30MPa热压烧结1h，制备SiC陶瓷。TG分析SiC的氧化特性，测定Zeta-电位研究SiC粉体的分散特性，测定其高温浸润性研究烧结助剂与SiC之间的亲和性。结果表明：SiC粉体热处理和提高SiC浆体的pH值，有利于提高Zeta．电位，进而提高分散均匀性；Y2O3-MgO-Al2O3烧结助剂高温下与SiC具有良好的浸润性；SiC粉体热处理明显降低了烧结温度。尽管Y2O3-MgO-Al2O3烧结助荆在高温下有一定的挥发，但是当其含量大于等于9％（质量分数）时，1800-1950℃下热压烧结可获得显气孔率小于等于0．19％的致密SiC陶瓷，其热导率大于190W·m^-1·K^-1。

SiC对加成型导热电子灌封胶性能的影响

以端乙烯基硅油为基胶,Si C为填料,含氢硅油为交联剂,铂配合物为催化剂,制备了双组分加成型有机硅电子灌封胶。通过对样品的热导率、微观形貌、黏度、电绝缘性、热稳定性和力学性能进行表征,分析Si C对导热有机硅灌封胶性能的影响。结果表明:随着Si C添加量的增加,加成型有机硅灌封胶的热导率增加,但黏度上升。当Si C添加量为33.3%(体积分数)时,热导率达0.733 W/(m·K),比纯灌封胶提高了261.1%;Si C的加入改善了材料的热稳定性和力学性能;灌封胶的介电常数有所增加、体积电阻率减小,但仍能满足材料电绝缘性能要求。

SiCf/SiC陶瓷基复合材料涡轮导叶热疲劳试验研究与损伤分析

针对2D编织SiCf/SiC陶瓷基复合材料(CMC)低压涡轮导叶开展热疲劳试验研究。基于SiCf/SiC-CMC不导电的特性,通过高频电磁感应加热金属传热结构,再由金属热辐射加热CMC试件的方式建立热疲劳试验系统。开展了最高温度902℃且模拟CMC导叶径向温差的热疲劳试验。经过1000循环后,叶片质量减小,叶盆及叶背表面粗糙度明显增大,未出现破坏性长裂纹。通过电镜观测发现,叶片表面出现基体脱落形成的凹坑。对试验后的叶片表面及内部材料进行元素分析对比,发现叶片表面基体脱落处的SiC纤维出现了明显的氧化现象。

硅烷偶联剂对SiC填充高温硫化导热硅橡胶性能的影响

以SiC为导热填料，制备了热硫化导热硅橡胶复合材料，研究了乙烯基三乙氧基硅烷（A-151）对硅橡胶性能的影响。结果发现，通过加入A-151提高了材料的热导率，材料的拉伸强度和断裂伸长率也得到明显的提高，材料的邵氏A硬度得到一定程度的降低。这是因为偶联剂改善了填料粒子和硅橡胶基体的相容性，增强了填料和基体的界面结合力。

金刚石–SiC/Al复合材料的构型设计与导热性能

以SiC和镀钨金刚石增强体为原料制备预制体,通过气压浸渗技术在800℃,5 MPa条件下制备金刚石–SiC/Al复合材料。利用扫描电镜、红外热成像仪、激光导热仪等对复合材料性能进行分析,研究SiC和金刚石的含量与粒径比对复合材料构型的影响,从而优化复合材料导热性能。结果表明:在相同的SiC粒径下,金刚石体积分数的增加将使复合材料的导热性能明显提升。当金刚石体积分数为30%时,含F100 SiC的复合材料导热性能最佳,其热导率为344 W/(m·K)。当金刚石体积分数相同,粒径比从0.07增大到0.65时,复合材料导热性能依次提升;且在金刚石体积分数为15%时,复合材料的热导率增幅最大,从174 W/(m·K)增大到274 W/(m·K),增长了57%。通过改善金刚石–SiC/Al复合材料中增强体的含量和粒径比可以调控复合材料构型,充分发挥复合材料的导热潜力。

辐照条件下SiC晶界导热性能的分子动力学分析

SiC材料由于具有优良的物理化学性质而在工程领域得到广泛应用。但在辐照条件下,Frenkel缺陷势必影响材料的宏观性质。尤其在核能工程领域,辐照无法避免,而传热性质是材料的关键性质之一。本文采用分子动力学方法模拟了SiC材料晶界导热性质在辐照缺陷存在条件下的变化规律。研究结果表明,晶界扭转角度越大,界面能也越大,并且界面热阻大致与界面能呈正比关系。辐照缺陷的存在使界面热阻增加了一个数量级。声子态密度分析结果表明,界面附近原子晶格失配程度增加是导致辐照后界面热阻进一步增加的原因。

SiC功率MOSFET在直流脉冲条件下的热不稳定性

对SiC功率MOSFET热不稳定性产生的机理进行了研究。测量了SiC功率MOSFET在300~475 K内的转移特性和导通电阻,测试结果显示器件的漏极电流在低栅压下呈正温度系数,而在高栅压下呈负温度系数;导通电阻在低栅压下会随温度升高而减小。为解释这些现象,提取了不同温度下的沟道电阻、阈值电压和沟道电子迁移率。结果表明:高密度的SiC-SiO_(2)界面态电荷使沟道电阻占总导通电阻的很大比例,高温下库仑散射的减弱导致沟道电子迁移率随温度升高而增大,从而造成了低栅压下总导通电阻呈负温度系数。库仑散射对沟道电子迁移率的影响和阈值电压随温度升高而线性减小的共同作用引起了SiC功率MOSFET的热不稳定性。最后,基于Silvaco TCAD建立了考虑界面态的SiC功率MOSFET的物理模型,仿真了界面态密度对器件热不稳定性的影响。发现较高的界面态密度增加了阈值电压的温敏性,从而使器件出现更大的热不稳定区域。

低成本制造C/SiC复合材料的热物理性能研究

采用先驱体浸渍裂解工艺制备了三维针刺C/Si C复合材料,系统地研究了其热物理性能。结果表明:该低成本制造工艺制备的C/Si C复合材料热膨胀系数随温度升高总体上呈增大趋势,但随着温度的升高,热膨胀系数增大程度逐渐减弱,并且z向的热膨胀系数要高于x-y方向,而CVD-Si C涂层的存在会降低其热膨胀性能;C/Si C复合材料比热容、导热率也随着温度的升高呈现逐渐增大的趋势,但增加速率逐渐减小。CVD-Si C涂层的存在会提高C/Si C复合材料的导热性能,有利于C/Si C复合材料产品与外界环境的热能交换,但会使材料的比热容降低。

C/C-SiC防热材料快速制备及其性能研究真

采用CVI+PIC工艺制备了密度为1.35～1.45 g/cm3的C/C多孔体,对多孔体进行LSI快速获得C/C-SiC防热材料,表征了防热材料的微观结构、弯曲性能,对其进行300 s氧乙炔烧蚀试验,检测了筒形C/C-SiC燃烧室热结构缩比构件的整体承压性能。结果表明,采用CVI+PIC方法成型的C/C多孔体LSI后,液相Si主要与树脂炭反应,生成的SiC位于纤维束之间的大孔孔隙中,由炭纤维束与其内部和包覆在纤维束表层的热解炭构成的增强相未受液Si浸蚀。制备的C/C-SiC弯曲强度达122 MPa,弯曲破坏呈现明显的假塑性断裂;筒形C/C-SiC燃烧室热结构缩比件(外径175 mm、壁厚7.5 mm、高度200 mm)水压爆破压力为5.2 MPa。C/C-SiC材料氧乙炔试验线烧蚀率0.000 2～0.000 3 mm/s、质量烧蚀率0.000 1～0.000 3 g/s,材料的烧蚀以热化学烧蚀为主,烧蚀型面整体平滑,烧蚀表面形成了SiO2抗氧化玻璃相和Si纳米线。

碳化硅陶瓷导热性能的研究进展

SiC陶瓷具有优异的力学性能、热学性能、抗热震性能、抗化学侵蚀性能和抗氧化性能,是热交换器设备的常用基体材料。由于原料、成型工艺、烧成工艺和烧结助剂等因素制约,SiC陶瓷含有较多气孔、晶界、杂质和缺陷,导致其常温热导率(≤270 W·m^(-1)·K^(-1))低于碳化硅单晶材料(6H-SiC,490 W·m^(-1)·K^(-1)),且不同制备工艺下热导率存在较大差异。本文主要分析了温度、气孔、晶体结构和第二相对SiC陶瓷导热性能的影响,归纳了热压烧结法、放电等离子烧结法、无压烧结法、重结晶烧结法和反应烧结法制备高导热SiC陶瓷的特点,对优化烧结助剂种类及含量、高温热处理和添加高导热第二相等改善SiC陶瓷导热性能的主要措施进行阐述,并展望了未来高导热SiC陶瓷的研究方向,为未来制备低成本、高导热SiC质热交换器提供理论参考。

多孔碳球/SiC纳米纤维/十八醇复合相变材料定型封装及其热性能研究

以SiC纳米纤维为传热介质,在其表面采用原位生长的方法,均匀负载了多孔碳材料,从而制备了多孔碳球/SiC纳米纤维载体材料。然后以十八醇为相变芯材,通过物理吸附法制备了多孔碳球/SiC纳米纤维/十八醇复合相变材料,研究了不同相变芯材负载量的复合相变材料的储热性能与稳定性能。DSC检测表明,负载40wt%十八醇的复合相变材料的熔点和凝固点分别为58.16℃和52.25℃,熔化潜热为101.42J/g;负载50wt%十八醇的复合相变材料的熔点和凝固点分别为58.01℃和51.93℃,熔化潜热为115.47J/g。与十八醇相比,负载40wt%十八醇的复合相变材料的导热率提高了71%;负载50wt%十八醇的复合相变材料的导热率提高了62%。该复合相变材料在循环使用300次后,其导热率基本保持相同,具有稳定性高;相变芯材封装安全性好,相变潜热大,具有非常优异的应用性能。

SiC含量对ZTA和ATZ复相陶瓷力学及热学性能的影响

以α-Al_2O_3、ZrO_2和β-SiC粉体为原料,通过放电等离子烧结(SPS)制备了氧化物/碳化物复相陶瓷材料,研究了SiC掺杂对氧化锆增韧氧化铝(ZTA)和氧化铝增强氧化锆(ATZ)基两种复相陶瓷微观结构以及力学、热学性能的影响。XRD衍射谱显示样品中成分为α-Al_2O_3、ZrO_2和β-SiC,无其他杂质相存在。随着SiC含量的增加,ZTA-SiC复相陶瓷的断裂韧性先增大至7.6 MPa·m^(1/2)后下降为6.6 MPa·m^(1/2),而ATZ-SiC复相陶瓷的断裂韧性未发生明显变化,恒定为约11 MPa·m^(1/2)。SEM图像显示韧性较大的复合陶瓷中的穿晶断裂作用机制明显。相同温度下,复相陶瓷的热导率随SiC添加量的增加而增加,当温度为1200℃时,ZTA-SiC和ATZ-SiC复相陶瓷的热导率随SiC含量的增加分别由4.31 W/m·K增加至5.50 W/m·K,5.39 W/m·K增加至8.10 W/m·K。

纳米复合n型Bi_2(Te_(0.9)Se_(0.1))_3/(SiC)_y热电材料的微观组织结构与热电性能

以铋粉、碲粉、硒粉以及纳米SiC粉末为原料,采用机械合金化结合放电等离子烧结技术成功制备了n型Bi_2(Te_(0.9)Se_(0.1))_3/(SiC)_y(0≤y≤0.02)纳米复合热电材料,并详细研究了纳米SiC复合量对样品物相组成、微观组织结构以及热电性能的影响。实验结果表明,纳米尺度的SiC颗粒弥散分布在微米尺度的Bi_2(Te_(0.9)Se_(0.1))_3基体中的晶界处,这种纳米复合结构能够显著降低晶格热导率,对热电性能的提高非常有利。Bi_2(Te_(0.9)Se_(0.1))_3/(SiC)_y复合热电材料的电输运特性为n型传导,电阻率和Seebeck系数均随SiC含量的增多而增大,在室温附近仍保持有良好的电输运特性。纳米SiC颗粒弥散分布在晶界位置,可以增加声子散射,显著降低热导率,使得复合有SiC的样品的ZT值相较未掺杂的样品有所提高,在SiC复合量摩尔比y=0.01,T=323K时,Bi_2(Te_(0.9)Se_(0.1))_3/(SiC)_(0.01)成分样品具有最大ZT值,达到0.73。

非简谐振动对SiC类石墨烯热输运性质的影响

考虑到原子的非简谐振动,应用固体物理理论和方法,计算了SiC类石墨烯的简谐系数和非简谐系数,得到它的德拜温度、热容量和热导率等随温度的变化规律,探讨了原子非简谐振动对它的热输运性质的影响.结果表明:SiC类石墨烯的德拜温度随温度的升高而在117-126 K之间线性增大,定容比热随温度升高而非线性增大,热导率随温度升高而非线性减小,温度较低时变化较快,而温度较高时变化较慢,并随着温度升高而趋于常量;考虑到非简谐振动后,SiC类石墨烯的德拜温度、定容比热和热导率的值分别大于、小于和大于简谐近似的相应值,温度愈高,其差值愈大,即温度愈高,非简谐效应的影响愈显著;二维平面状的SiC类石墨烯的定容比热和热导率随温度的变化规律,与三维块状SiC晶体总体趋势相同,只是具体数值不同.