[发明专利]一种常压烧结抗辐照碳化硅陶瓷材料及其制备方法

说明书

本发明公开一种常压烧结抗辐照碳化硅陶瓷材料及其制备方法。所述抗辐照碳化硅陶瓷材料包括碳化硅基体和原位固溶进入碳化硅晶格的¹¹B₄C；其中，¹¹B₄C占抗辐照碳化硅陶瓷材料的质量比为1wt%以下。原位生成的B₄C容易固溶进碳化硅晶格，能以极少量的B元素使晶界能降至足够低，促进碳化硅陶瓷烧结致密化，克服了SiC的自扩散性差以及强共价键的存在使其烧结性差的缺陷。

技术领域

本发明涉及一种常压烧结抗辐照碳化硅陶瓷材料及其制备方法，属于碳化硅陶瓷领域。

背景技术

在核能系统和空间中，材料容易遭受高能粒子的轰击，发生辐照硬化、辐照催化和辐照偏聚等造成材料相不稳定性，或者出现辐照生长、辐照肿胀等现象，从而导致器件故障。来自核聚变和核裂变、宇宙、太阳的高能粒子和射线对材料的辐照单粒子效应(SEE)，即单个高能粒子(如重离子、质子、中子等)入射到核保护材料或者航天用集成电路电子基片后，导致材料性状改变而失效。

碳化硅(SiC)陶瓷具有高强度、高硬度、高弹性模量、高耐磨、高导热、抗氧化以及抗腐蚀等优异性能，这一系列引入注目的优点使其在军事国防、核工业、航空航天等领域有重要的应用。特别地，由于SiC陶瓷具有低中子吸收截面，这使其可以应用于抗辐照系统，例如核能系统或航天空间用集成电路电子基板。但是SiC的自扩散性差以及强共价键的存在使其烧结性差，因此在SiC陶瓷烧结过程中往往需要加入烧结助剂使其致密化。碳化硅陶瓷的烧结方法可分为液相烧结和固相烧结。液相烧结SiC陶瓷需要加入氧化铝和/或稀土氧化物等较低熔点氧化物，但是低熔点限制了碳化硅陶瓷的高温应用，同时稀土元素具有的高中子吸收截面也限制了其在抗辐照系统中的应用。相对来说，固相烧结SiC陶瓷能够适应更高服役温度，然而固相烧结需要加入B₄C-C体系助剂。B₄C中的B有¹¹B和¹⁰B两种同位素，天然B中占80.2at％的¹¹B几乎不吸收中子，虽然只有约占19.8at％的¹⁰B吸收中子，但是¹⁰B吸收中子发生反应产生锂和高能α粒子，其反应方程式如下：据报道，该效应会导致固态烧结SiC陶瓷的膨胀，从而导致结构件的失效。

发明内容

第一方面，本发明提供一种常压烧结抗辐照碳化硅陶瓷材料。所述抗辐照碳化硅陶瓷材料包括碳化硅基体和原位固溶进入碳化硅晶格的¹¹B₄C。原位生成的B₄C容易固溶进碳化硅晶格，能以极少量的B元素使晶界能降至足够低，促进碳化硅陶瓷烧结致密化，克服了SiC的自扩散性差以及强共价键的存在使其烧结性差的缺陷。

其中，¹¹B₄C占抗辐照碳化硅陶瓷材料的质量比为1wt％以下。本发明中原位产生的¹¹B₄C含量很少，且¹¹B₄C会与SiC发生固溶反应。综合作用下，样品中残余的¹¹B₄C含量极少，因此在XRD中未观察到B₄C的特征峰。一些技术方案中，通过控制硼酸的加入量，可以调节生成¹¹B₄C的含量，使其生成量在样品中低于1wt％，实现碳化硅陶瓷烧结致密化。同时，控制¹¹B₄C较少的用量还可以避免制备成本的增加。

较佳地，所述¹¹B₄C占抗辐照碳化硅陶瓷材料的质量比为0.4-1wt％。

较佳地，所述抗辐照碳化硅陶瓷的密度为3.1-3.2g·cm^-3，致密度为99％以上，抗弯强度为300-500MPa。

第二方面，本发明还提供上述任一项所述的常压烧结抗辐照碳化硅陶瓷材料的制备方法。所述制备方法包括以下步骤：