ZrB2和SiC在高温低氧压下氧化的原位研究

摘要

超高温陶瓷材料，因其具有高熔点(＞3000℃)、高导热率、良好的抗氧化性、抗热震性和中等的热膨胀系数等性质，是现被广泛应用的超高温材料。超高温陶瓷多为非氧化物陶瓷如碳化物、硼化物等，在高温氧化性气氛中不可避免地会发生氧化，导致其性能的下降，甚至失效。
　　本文在对超高温陶瓷氧化研究充分调研的基础上，使用环境透射电子显微镜，在原子尺度上原位观察二硼化锆、碳化硅等超高温陶瓷的氧化过程，对其在高温低氧压下的氧化机理进行了研究。
　　论文研究了纳米二硼化锆在1500℃，5×10-2 Pa氧压条件下的氧化行为。研究发现，二硼化锆微粒氧化分解为氧化锆和氧化硼。氧化锆纳米粒子在二硼化锆颗粒表面生成＜1nm的颗粒，数量随着时间持续而增加。随着氧化锆颗粒长大、合并，最后成为一个颗粒。氧化硼因高温没有形成包裹在二硼化锆表面的液态玻璃相，而是直接从表面挥发。
　　利用原位和离位方法研究了微米二硼化锆的氧化行为。研究表明随着温度升高，生成的氧化锆纳米粒子直径增大，形核密度减小。选择合适的氧分压(比如6 Pa)，在较低的温度(1070℃)下则在二硼化锆表面生成致密的氧化锆膜。
　　对立方碳化硅(111)晶面的氧化行为研究表明:在1000-1300℃，～5×10-2Pa氧压条件下，碳化硅(111)晶面发生氧化反应。氧化分解速率遵循线性规律，根据阿累尼乌斯方程计算氧化反应激活能为0.353±0.002 eV。SiOx膜厚度受SiC氧化速率，SiOx的分解与挥发及电子束辐照损伤的影响。观察到3C-SiC氧化过程中(111)晶面的晶格条纹在无定形氧化层中的不规则残留现象。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景

1．2 ZrB2的基本性质

1．2．1 Zr-B二元平衡相图

1．2．2 晶体结构与化学键

1．2．3 力学性质

1．2．4 热学性质

1．2．5 电学性质

1．3 ZrB2氧化研究现状

1．3．1 热力学分析

1．3．2 动力学分析

1．3．3 计算与模型

1．4 SiC的基本性质

1．4．1 晶体结构

1．4．2 力学性质

1．4．3 热学性质

1．4．4 电学性质

1．4．5 化学稳定性

1．4．6 光学性质

1．4．7 SiC的应用

1．5 SiC氧化研究现状

1．5．1 SiC氧化动力学

1．5．2 控制氧化速率的扩散因素

1．5．3 SiO2／SiC界面

1．5．4 SiC的初期氧化

1．5．5 SiC活性／钝化氧化机制转换

1．6 本论文研究的主要内容

第二章 实验原理及方法

2．1 透射电子显微镜

2．1．1 透射电镜的基本构造

2．1．2 透射电镜成像原理

2．2 环境透射电子显微镜

2．1．1 进气系统

2．1．2 加热系统

2．2 实验设计

2．3 样品表征手段

第三章 纳米ZrB2高温氧化的原位研究

3．1 试样信息

3．2 纳米ZrB2试样的表征

3．2．1 扫描电子显微镜与能谱

3．2．2 透射电子显微镜及能谱面扫描

3．2．3 X射线光电子能谱

3．3 原位实验步骤

3．4 实验结果

3．4．1 升温阶段

3．4．2 氧化反应阶段

3．4．3 氧化产物

3．5 ZrB2高温氧化的讨论

3．5．1 ZrB2的高温氧化机理

3．5．2 立方氮化硼层状结构形成机理

3．6 本章小结

第四章 微米ZrB2氧化的原位／离位研究

4．1 试样信息

4．2 微米ZrB2试样的表征

4．2．1 扫描电子显微镜

4．2．2 透射电子显微镜

4．2．3 X射线光电子能谱

4．3 实验步骤

4．4 实验结果与讨论

4．4．1 原位氧化

4．4．2 离位氧化

4．5 本章小结

第五章 3C-SiC(111)晶面高温氧化的原位研究

5．1 试样信息

5．2 SiC纳米颗粒的表征

5．2．1 扫描电子显微镜及能谱

5．2．2 透射电子显微镜

5．2．3 X射线光电子能谱

5．3 原位实验步骤

5．3．1 升温阶段

5．3．2 氧化反应阶段

5．4 实验结果

5．4．1 SiC(111)晶面氧化速率

5．4．2 SiC(111)晶面上氧化膜生长速率

5．4．3 Si-C双层结构的演交

5．5 SiC高温氧化的讨论

5．5．1 SiC的氧化机理

5．5．2 影响SiOx膜生长的因素

5．5．3 SiC氧化激活能

5．5．4 SiC／SiOx界面

5．5．5 Si-面与C-面氧化比较

5．5．6 电子束对原位观察的影响

5．6 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

个人简历

攻读学位期间发表的学术论文与取得的其它研究成果