碳化矽陶瓷作爲現代工程陶瓷之一，其硬度僅次于金剛石，具有熱膨脹系數小、熱導率高、化學(xué)穩定性好(hǎo)、耐磨性能(néng)高、在高溫下仍具有良好(hǎo)力學(xué)性能(néng)和抗氧化性能(néng)等突出的物理化學(xué)性質，成(chéng)爲最具發(fā)展前景的結構陶瓷，可以廣泛應用于石油化工、冶金機械、微電子器件和航空航天等領域。同時，SiC還(hái)具有低的中子活性、良好(hǎo)的耐輻照損傷能(néng)力和高溫結構穩定性等優點，成(chéng)爲新一代核裂變以及未來核聚變反應堆中的重要結構材料之一。

　　然而，碳化矽是強共價化合物，原子擴散能(néng)力低，因此在高溫下很難燒結緻密。爲了促進(jìn)燒結、降低燒結溫度，通常需要添加高溫燒結助劑來實現，如以Al-B-C-B4C爲主的固相燒結助劑體系，和以Al2O3-Y2O3，AlN-Re2O3（其中Re2O3通常是Y2O3、Er2O3、Yb2O3、Sc2O3、Lu2O3等稀土元素的氧化物）爲主的液相燒結體系。大量燒結助劑的使用會造成(chéng)碳化矽陶瓷高溫強度下降和熱學(xué)性質惡化，因此探索合适的碳化矽陶瓷燒結法是陶瓷學(xué)界關注的重點。

　　另外，陶瓷常規工藝均采用粉末冶金的方法實現燒結助劑和基體陶瓷粉體的混合，該方法存在著(zhe)添加劑混合不均勻、球磨介質雜質引入等缺點。傳統的球磨混合法隻是達到了所添加燒結助劑在碳化矽粉末中的随機分散，從單個碳化矽顆粒微觀角度來說并未達到均勻接觸燒結助劑。如何實現燒結助劑均勻分布于待燒結的碳化矽晶粒界面(miàn)，這(zhè)對(duì)于陶瓷緻密化動力學(xué)過(guò)程中起(qǐ)著(zhe)至關重要的作用。

　　中國(guó)科學(xué)院甯波材料技術與工程研究所核能(néng)材料工程實驗室（籌）前期在研究中子吸收硼化物陶瓷發(fā)展出顆粒表面(miàn)包裹的新技術（Journal of European Ceramic Society, 2017，37(15), 4524-4531; Journal of American Ceramic Society, 2018, 101(9), 3780-3786），該方法突破傳統的陶瓷球磨工藝效率低的難題，成(chéng)功制備了亞微米級均勻分布的兩(liǎng)相複合粉體，合成(chéng)燒結助劑均勻包裹碳化硼的核殼結構，對(duì)于低溫緻密化燒結效果顯著。該方法對(duì)于纖維和晶須表面(miàn)包裹MAX相陶瓷塗層也獲得了成(chéng)功，顯示出良好(hǎo)的合成(chéng)工藝普适性（Advanced Electronic Materials, 2018, 4 (5), 1700617; Journal of Materials Science, 2018, 53 (13), 9806-9815; Journal of American Ceramic Society, doi.org/10.1111/jace.15784）。

　　基于前期工作的積累，實驗室科研人員經(jīng)過(guò)大量探索實驗，采用熔鹽法成(chéng)功在SiC顆粒表面(miàn)原位反應包覆可控Y3Si2C2塗層，制備出SiC@Y3Si2C2核-殼結構的複合粉體。該SiC@Y3Si2C2複合粉體通過(guò)在1700℃、45MPa的條件下的放電等離子燒結（SPS），成(chéng)功實現了相對(duì)緻密度爲99.5%的SiC陶瓷，且其楊氏模量、維氏硬度、斷裂韌性、熱擴散系數以及熱導率也分别達到了451.7±48.4GPa、26.3±3.4Gpa、、和145.9W/(m·K)，表現出優異的宏觀性能(néng)。

       在研究緻密化機理時，核能(néng)材料工程實驗室研究人員發(fā)現Y3Si2C2塗層體現出低溫助燒高溫分解的有趣現象，最終Y3Si2C2塗層分解爲Y金屬和SiC相，大部分Y會逸出碳化矽陶瓷晶界，少量Y同碳化矽表面(miàn)的氧反應形成(chéng)耐高溫的氧化钇晶界第二相。實驗室理論研究人員結合開(kāi)展了詳細的Y-Si-C體系相圖的計算分析，利用相圖計算CALPHAD（CALculation of PHAse Diagrams）方法，發(fā)現Y:SiC成(chéng)分比例爲從1:4降低至1:6、再降低至1:8時，系統中Y3Si2C2相含量降低，同實驗觀察到的Y3Si2C2塗層厚度變化規律相符合。在計算的1100℃相圖中，SiC和Y3Si2C2穩定共存，而在高溫相圖中（1600℃和1700℃），Y3Si2C2不再穩定存在，SiC和液态液相共存，從而解釋了實驗燒結樣(yàng)品中得到99.5%的SiC、而Y基本消失的現象。

　　該研究成(chéng)果表明，具有三元層狀的Y3Si2C2材料可成(chéng)爲碳化矽陶瓷新型的燒結助劑，其具有低溫液相存在和高溫相分解的特性，能(néng)起(qǐ)到促進(jìn)碳化矽陶瓷高溫燒結過(guò)程中晶粒重排和晶界處重結晶的效果。該科研成(chéng)果已在線發(fā)表在《歐洲陶瓷學(xué)會期刊》上（Journal of European Ceramic Society, 2018，doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2018.07.054）。以上工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（91426304）以及中科院戰略先導科技專項（XDA03010305）的資助支持。

圖1 掃描電子顯微鏡圖片和能(néng)譜分析顯示出Y3Si2C2良好(hǎo)包裹在SiC顆粒表面(miàn)

圖2 掃描電子顯微鏡背散射照片揭示燒結碳化矽陶瓷斷面(miàn)的形貌和元素分布

圖3 Y-Si-C三元系相圖:（a）Y:SiC成(chéng)分比例爲1:4、1:6和1:8時，系統相組成(chéng)随溫度的變化；（b）1100℃等溫截面(miàn)；（c）1600℃等溫截面(miàn)；（d）1700℃等溫截面(miàn)

　　（核能(néng)材料工程實驗室 邵俊绮 常可可）