金刚石与硅在5 GPa高压下的反应/烧结动力学研究

作     者：张陆 

作者单位：四川大学 

学位级别：硕士

导师姓名：贺端威

授予年度：2021年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 07[理学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 070304[理学-物理化学(含∶化学物理)] 0703[理学-化学] 

主      题：金刚石 硅 反应烧结 碳化硅 高温高压 超硬复合材料 

摘      要：金刚石的维氏硬度高达约100 GPa,是自然界中已知的最坚硬的材料,还具有最高的体弹模量和剪切模量(35 GPa),而且导热性能优异。然而,金刚石是脆性的,断裂韧性较低,这一特性限制了单晶金刚石在动态冲击极端环境中的应用;另一方面,大尺寸单晶金刚石高昂的制备成本也限制了它的工业应用。由于金刚石的优异性能,在金属或陶瓷基体中掺入金刚石颗粒是显著提高复合材料热学性能和力学性能的一种有效方法。目前,金刚石复合材料根据粘结剂的不同,主要分成金属基金刚石复合材料和陶瓷基金刚石复合材料。与金刚石相比,金属一般具有较大的热膨胀系数和较小的弹性模量,这种力、热性能的不匹配,限制了传统的金刚石/铝、金刚石/铜、金刚石/钴等复合材料在高温、高应力环境中的应用。相比之下,立方型碳化硅(β-SiC)的晶体结构、热膨胀系数和弹性模量与金刚石类似,因此,金刚石/碳化硅复合材料具有利用金刚石和碳化硅优异性能协同结合的潜力。高温高压条件下,将硅和金刚石的混合粉末作为初始材料可以合成金刚石/碳化硅复合材料,其中碳化硅相是金刚石(碳)与硅反应的产物。通过高温高压反应烧结得到的金刚石/碳化硅复合材料样品不仅界面结合强,而且具有高热导率、高耐磨性、高耐腐蚀性、高硬度、低密度、低热膨胀系数等许多的优异性能,在电子封装、热传输元件、高性能结构材料和超硬切削等领域有广泛应用,引起了人们的极大兴趣,并且一直是研究的热点。本论文研究了金刚石与硅在5 GPa高压下的反应/烧结行为。高压高温反应烧结实验是在国产铰链式6×14 MN六面顶压机设备、通过自主设计的高温高压组装上进行的,初始材料分别为商用金刚石微粉(晶粒尺寸8-12μm,纯度99.9%)、硅粉(晶粒尺寸1μm,纯度99.9%)、商用金刚石单晶片(尺寸大小为3×3×1 mm3)。采用混合法和分层法两种不同的样品腔组合,在1100℃-1400℃和5 GPa的温度压力条件下,定量分析了金刚石/碳化硅复合材料反应烧结过程中金刚石颗粒周围碳化硅层的厚度,并且研究了高温高压下硅-碳反应的动力学和碳化硅的形成与生长机理。利用能谱分析(EDS)和X射线衍射(XRD)手段,在金刚石表面观察到了厚度为60-350 nm的致密碳化硅层,并且发现了碳化硅层的厚度随着烧结温度的升高和烧结时间的延长而增加。通过场发射扫描电子显微镜(FESEM)分析了高温高压条件下液态硅侵蚀金刚石颗粒和金刚石单晶片后的表面形貌,分析发现:反应生成的碳化硅紧密附着在金刚石表面,碳化硅的生长是由硅原子和碳原子在已生成碳化硅层中的扩散过程控制的,而且在金刚石和碳化硅的界面处存在未反应硅/碳的过渡区。上述定量数据及金刚石/硅的高温高压反应动力学的研究结果对通过高温高压反应烧结法制备金刚石-碳化硅复合材料的微结构设计具有指导作用。