聚合物衍生陶瓷SiCN-M涂层在极端环境下对金属表面的防护

介绍了极端环境下金属保护涂层的种类,其中聚合物衍生陶瓷(PDC)涂层具有成本低、工艺简单、易于在复杂形状和大部件上涂覆、与基材结合牢固的优势。综述了SiCN涂层和SiCN-M(M=B、Al、Ti)涂层的特点和优势。SiCN涂层具有非晶耐高温抗氧化的特点,兼具高硬度和高弹性;SiCN-B涂层具有特殊的高温稳定性,并能保持到2000℃;SiCN-Al涂层具有高温抗氧化抗水热腐蚀能力,比SiCN涂层还要高出两个数量级;SiCN-Ti涂层具有高硬度高弹性,硬度可达20~30 GPa,弹性模量可达170~200 GPa。SiCN-M涂层可用于金属在极端环境下的防腐、耐磨抗冲击、抗氧化。

滚动轴承钢碳氮共渗工艺研究

以GCr15和GCr15SiMn轴承钢为研究对象,进行不同工艺的碳氮共渗热处理实验研究。利用光学显微镜观察试样热处理后的显微组织、晶粒度,利用X-射线衍射仪分析热处理后残余奥氏体的含量,利用硬度仪测量试样热处理后的硬度变化规律,研究共渗温度对渗层组织和性能的影响。研究结果表明:考虑碳氮共渗层深度、显微组织、晶粒度以及硬度综合因素,碳氮共渗温度控制在820℃,碳势控制在1.18%,进行淬火和低温回火的组织和性能较好。该工艺下增加冷处理,GCr15SiMn试样表面硬度从64.5 HRC提高至66.1 HRC,表面残余奥氏体量从22.1%下降至12.5%。冷处理有效降低了表面残余奥氏体含量。

先驱体转化SiBCN陶瓷的制备、性能与应用

先驱体转化法是制备高性能陶瓷材料的重要方法,尤其在连续纤维及其复合材料(FRCMC)的制备、元素组成与微结构调控等方面具有显著优势。先驱体转化SiBCN陶瓷具有多元素含量可调、化学键合结构可控的特点,构建了不同结构特征和特殊性能的陶瓷材料。近几年,先驱体转化SiBCN陶瓷发展呈现出新的特点,结构功能一体化设计与制备技术受到了国内外的广泛关注。本文主要梳理了2016年至今先驱体转化SiBCN陶瓷的国内外研究进展,首先简要介绍先驱体转化SiBCN陶瓷的主要特点,然后以先驱体转化陶瓷产物的典型特点为分类依据,分别从SiBCN陶瓷先驱体及其陶瓷产物、连续SiBCN陶瓷纤维、SiBCN基复合材料和功能化SiBCN陶瓷4个方面综述了主要研究进展,提出了未来发展趋势和重点任务,期望为SiBCN陶瓷研制与应用研究提供参考,促进我国先进陶瓷材料的发展进步。

热丝CVD生长SiCN薄膜的研究

在HFCVD系统中采用SiH4/CH4/H2/N2混合气体成功的制备了SiCN薄膜.SEM照片显示制备的SiCN薄膜由棒状结构构成,而在HRTEM下发现这些棒状结构是由生长在无定型SiCN基体当中的纳米晶粒组成的.进一步的SAED和XRD分析说明SiCN纳米晶粒具有类似于α-Si3N4的结构.XPS和FTIR分析表明薄膜中含有Si、C、N和O几种元素以及C=N、Si-N和C-N等共价键,但是并没有观察到C-Si的存在.由实验得出结论,SiCN晶体的生长包括两个步骤:α-Si3N4团簇的生长和C取代其中Si的过程.

真空气氛下非晶硅碳氮(SiCN)陶瓷的高温晶化行为

以六甲基二硅氮烷为单一前驱体,采用电热裂解化学气相沉积技术制备了SiCN陶瓷.借助X射线衍射仪、透射电子显微镜研究了真空环境中非晶SiCN陶瓷在1300～1900℃范围内的晶化行为,并根据研究结果,运用分解-结晶机理解释了其晶化过程.非晶SiCN陶瓷在低于1300℃开始发生分解,形成富Si-C区域,并最终发生β-SiC结晶.其结晶度随热处理温度的升高而愈加明显.在1700℃处理时发生β-SiC→α-SiC相变.分解形成的N-难以与Si-结合形成富Si-N区域,最终以N2形式溢出,在整个热处理温度范围没有出现氮气下热处理时存在的Si3N4结晶.

溅射工艺对SiCN薄膜沉积及光性能的影响

本文利用射频磁控溅射工艺制备了ＳｉＣＮ薄膜，研究了基本工艺参数如溅射功率、Ｎ分压对薄膜沉积和光学性能的影响．研究结果表明：溅射制备的薄膜中形成了复杂的网络结构，膜中三元素Ｓｉ、Ｃ和Ｎ两两之间形成了共价键．Ｎ分压的提高降低了薄膜的沉积速率．Ｎ流量的提高使光学带隙增大．溅射功率的提高使薄膜的沉积速率提高，但使得光学带隙减小．

稳定化预热处理对C/SiCN蠕变行为的影响

研究了碳纤维增强SiCN陶瓷基复合材料(C/SiCN)在真空中的拉伸蠕变行为,通过对比预热处理和未热处理的两类C/SiCN的蠕变激活能,分析了预热处理的稳定化效果,并采用X射线衍射研究了C/SiCN的蠕变相变行为。结果表明,预热处理促进了非晶SiCN基体的结晶,能明显提升C/SiCN的蠕变激活能(Q),未热处理C/SiCN的Q=51kJ/mol,而热处理后试样的Q=72kJ/mol。恒定蠕变应力能明显促进非晶SiCN基体的结晶。

SiCN扩散阻挡层薄膜的制备及特性研究

采用磁控溅射法在单晶硅衬底上制备了SiCN及Cu/SiCN薄膜,并对试样进行了退火处理。利用原子力显微镜(AFM)、X射线衍射(XRD)、四探针测试仪(FPP)研究了SiCN薄膜的表面形貌、物相结构及在Cu/SiCN/Si结构中SiCN薄膜对铜与硅的阻挡性能。结果表明,沉积态SiCN薄膜为无定型的非晶结构,晶化温度在1000℃以上;SiCN薄膜作为Cu的扩散阻挡层有较好的热稳定性及阻挡性,阻挡失效温度在600℃左右。

等离子体技术沉积SiCN薄膜中杂质O的来源、化合状态及其对薄膜结构和性能的影响

利用微波ECR等离子体增强非平衡磁控溅射法制备了硅碳氮(SiCN)薄膜,并利用X射线光电子能谱、扫描电镜、椭偏光谱仪等对薄膜成分、结构、性能等进行表征。结果表明薄膜中O杂质含量及其结合态对薄膜的化学结构和机械性能都产生了很大影响。Si靶溅射功率最低时(100W),薄膜中O杂质含量高达10.63%,以Si-O键结构为主,此时薄膜的疏松结构导致大气环境下O的化学吸附是O杂质的主要来源;在高Si靶溅射功率情况下(>250W),薄膜中O杂质含量低于4%,且以C-O键结构为主,薄膜致密,硬度最高达29.1GPa、折射率可达2.43。

微波等离子体化学气相沉积制备SiCN结晶膜及SiCN微米棒阵列(英文)

本文采用微波等离子体化学气相沉积 (MPCVD)系统 ,以CH4,H2 ,N2 作为源气体 ,以Si棒作为Si源 ,在Si衬底上制备出了SiCN结晶及SiCN微米棒阵列。样品的形貌由场发射扫描电子显微镜 (SEM)表征分析。用X射线光电子谱 (XPS)、Raman散射谱及X射线衍射 (XRD)对样品的键合状态及结构进行表征 ,结果表明 ,所得到的SiCN薄膜是一具有新的六方结构的三元化合物。

SiCN薄膜在Si衬底上的沉积

本文采用微波等离子体化学气相沉积 (MPCVD)系统 ,在单晶Si衬底上制备出了SiCN薄膜。所采用的源气体为高纯CH4和N2 ,而Si源来自于Si衬底、SiH4和Si棒。用场发射扫描电镜 (SEM)、X射线光电子能谱 (XPS)和X射线衍射谱 (XRD)对样品进行了表征与分析。结果表明 ,外加Si源、高的衬底温度、高流量N2 有助于提高样品的成膜质量。

前驱体热解法及该方法制备Fe改性SiCN陶瓷研究进展

介绍了热解法制备前驱体陶瓷材料的工艺特点,综述了Fe改性SiCN前驱体陶瓷的研究进展,并对其应用前景进行了展望。

SiCN/Sialon复合材料的制备及微波介电性能研究

以AlN、Al2O3和Y2O3为添加剂,用无压烧结法制备了SiCN/Sialon复合材料。研究表明,在相同烧结条件下,随着纳米SiCN含量的增加,材料的烧结致密度下降。XRD结果表明,SiCN/Sialon复合材料由主晶相β-Sialon(Si3Al3O3N5)和极少量的SiO2、β-SiC组成。SEM研究表明,随着纳米SiCN含量的增加,材料中棒状的β-Sialon(Si3Al3O3N5)含量明显减少。抗弯强度研究表明,β-Sialon(Si3Al3O3N5)复合材料的抗弯强度随着纳米SiCN含量的升高而降低,从纯Sialon陶瓷的530MPa下降到含22.26%SiCN时的196MPa,其原因是由于随着纳米SiCN含量的增加,材料的致密度降低,β-Sialon(Si3Al3O3N5)含量减少所致。SiCN/Sialon复合材料复介电常数的实部和虚部均随纳米SiCN含量的升高而增大,但是低于预期值,其原因是由于长时间高温烧结时,纳米SiCN结构发生变化,其复介电常数的实部和虚部大幅度下降造成。

石英衬底上溅射制备纳米SiCN薄膜

利用射频溅射方法在石英玻璃上沉积了纳米结构硅碳氮(SiCN)薄膜.SiCN薄膜表面由平均直径约50nm的SiCN纳米颗粒组成,这些纳米颗粒的紧密分布构造了薄膜的致密表面.纳米SiCN薄膜呈现出典型的半导体导电特征.通过调整N2流量参数可以获得不同带隙的SiCN薄膜材料,这种带隙可调的纳米结构SiCN薄膜在未来的半导体光电器件应用领域会有广阔的应用前景.

采用热丝化学气相沉积法制备SiCN薄膜的研究

采用热丝化学气相沉积(HFCVD)系统,在单晶Si衬底上制备SiCN薄膜。所采用的源气体为高纯的SiH4,CH4和N2。用原子力显微镜(AFM)、X线衍射谱(XRD)和X线光电子能谱(XPS)对样品进行表征与分析。研究结果表明:SiCN薄膜表面由许多粒径不均匀、聚集紧密的SiCN颗粒组成;薄膜虽然已经晶化,但晶化并不充分,存在着微晶和非晶成分,通过Jade软件拟合计算出薄膜的结晶度为48.72%;SiCN薄膜不是SiC和Si3N4的简单混合,薄膜中Si,C和N这3种元素之间存在多种结合态,主要的化学结合状态为Si—N,Si—N—C,C—N,N=C和N—Si—C键,但是,没有观察到Si—C键,说明所制备的薄膜形成了复杂的网络结构。

大型圆锥滚子轴承套圈碳氮共渗工艺优化

碳氮共渗工艺可以大幅提升轴承疲劳寿命,但在商用车轮毂轴承上的研究还较少。采用工艺试验的方法,分析对比不同温度、碳势、NH_(3)流量和工艺时间对33022圆锥滚子轴承的渗层深度和表面硬度的影响,得到了最佳工艺参数:强渗阶段,温度为860℃,NH_(3)流量为2.5 L/min,碳势为1.2%,时间为330 min;扩散阶段,温度为860℃,NH_(3)流量为2.5 L/min,碳势为1.0%,时间为60 min;保温阶段,温度为820℃,NH_(3)流量为2.5 L/min,碳势为1.0%,时间为60 min。工艺优化后,测量碳氮共渗后的轴承尺寸、表面组织和硬度,均能满足产品技术要求;轴承疲劳试验结果表明,相比于常规马氏体淬回火热处理工艺,碳氮共渗处理后的轴承寿命由2L_(10)提升至5L_(10),有效提高了轴承的疲劳寿命。

C/SiCN复合材料的疲劳行为

研究了碳纤维增强非晶SiCN陶瓷基复合材料(C/SiCN)的真空拉-拉疲劳行为,对比分析了预稳定化热处理C/SiCN(HTCS)与未热处理C/SiCN(NHTCS)在疲劳后的质量、显微结构和电阻变化。结果表明,对于NHTCS试样,非晶SiCN基体的晶化造成大量气体挥发,质量损失明显;显微组织结构变化表现为基体脱落、纤维拔出、纤维断裂、裂纹扩展直至失效;电阻变化率先降后升,变化规律与材料的组织结构变化密切相关。对于预稳定化处理的HTCS试样,其质量变化、电阻变化的程度相对较小,体现出较好的预稳定化效果。

硅硼碳氮陶瓷前驱体聚硼硅氮烷的合成与表征

以三氯化硼(BCl3)、三氯硅烷(HSiCl3)和六甲基二硅氮烷(Me6Si2NH)为原料,通过聚合物前驱体转化陶瓷(polymer-derived ceramics,PDCs)法成功合成了硅硼碳氮(SiBNC)陶瓷前驱体--聚硼硅氮烷(PBSZ)。采用傅里叶变换红外光谱、核磁共振、X射线光电子能谱、热重分析和差示扫描量热对PBSZ的结构和热性能进行分析。结果表明,PBSZ结构中存在硅氮硼(Si—N—B)网络和六元硼氮(B—N)环。在氮气中,800℃时PBSZ的陶瓷产率为53.9%。

溅射辅助微波等离子体化学气相沉积SiCN晶体

在微波等离子体化学气相沉积系统中,利用脉冲氮离子束溅射二氰二氨靶产生的碳氮粒子作为合成前驱物,在石英玻璃基片上研究了SiCN晶体的合成。用扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱(EDX)、X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)研究了基片温度对薄膜的形貌、成分和结构的影响。结果表明:随着基片温度的降低,沉积物由截面为六方形的结晶良好的SiCN晶体(800℃)变成发育不完全的聚片状晶体(700℃),直到变成颗粒细小的无定形碳氮薄膜(550℃)。衍射峰的强度以及晶胞参数a和c的值随温度的降低而减小。薄膜为C原子部分取代Si3N4中的Si原子位置而形成的SiCN晶体,其中N原子主要与Si原子结合,C原子以sp3C—N、sp2CN和sp2CC键的形式存在。降低基片温度有利于提高薄膜中的C含量和sp3C—N键的含量。

SiCN薄膜的红外光谱研究

SiCN薄膜通过反应溅射法制备,并通过红外吸收谱(IR)进行表征。结果表明,薄膜中的N含量受衬底温度、N2流量、溅射功率影响。低的衬底温度会有利于N的进入,衬底温度过高,N含量将显著下降。在恰当的N2流量下才能在薄膜中获得最高的N含量。提高溅射功率可以使得薄膜中N含量升高。