Corrosion Science：Al2O3对SiC陶瓷抗氧化性的影响

【引言】

SiC因其热膨胀系数低，导热系数高，热稳定性优异和抗氧化性好等优良的性能而被广泛用于高温含氧环境下作为保护涂层材料。包埋熔渗作为SiC涂层的制备方法之一，使涂层和基材之间形成牢固的界面结合，并形成梯度涂层。包埋熔渗原料由Si，石墨和Al₂O₃组成。然而，到目前为止，很少报道Al₂O₃对SiC抗氧化性的影响。

【成果简介】

近日，西北工业大学李贺军教授，付前刚教授（共同通讯作者）在Corrosion Science上发表了题为“Influence of Al₂O₃ on the oxidation resistance of SiC ceramic: First-principle study and experiment”的文章。研究人员通过第一性原理计算和氧化实验研究了Al₂O₃对SiC陶瓷抗氧化性能的影响。研究了CO或O₂分子扩散到掺杂Al的SiO₂中的局部化学性质，并通过具有/不具有Al₂O₃的SiC陶瓷的氧化行为来定性地验证。Al₂O₃掺杂SiC陶瓷的氧化过程分为三个阶段，且Al₂O₃的引入对SiC陶瓷的抗氧化性有负面影响，但其负面影响是有限的。本文第一作者为博士生程春玉。

【图文解读】

表一 具有间隙CO分子的SiO₂和Al-SiO₂中C-O和Al-O键的Mulliken键布居和长度

图一 含间隙CO分子的SiO₂和Al-SiO₂的PDOS曲线

(a) SiO₂

(b) Al-SiO₂

图二 具有间隙O₂分子的Al-SiO₂-VO的PDOS曲线

 O-O键的稳定性下降，O和Si sp轨道之间存在宽杂交，O与Al键合

图三 具有间隙CO分子的Al-SiO₂-VO的PDOS曲线 

该图显示了CO分子扩散到O空位后Si原子，C原子，O原子和Al原子的电子态。形成了更稳定的C-O键，C-Si键合，Al-O键合。

图四 Al-SiC陶瓷样品的微观组织和相组成

 (a) 表面背散射图像，插图为XRD曲线

(b-e) 点1,2,3,4的EDS分析

图五 Al-SiC陶瓷样品TEM分析 

(a) 明场像，SAED，EDS分析

(b) 区域A的HRTEM图像

图六 氧化后Al-SiC陶瓷样品分析

(a) XRD

(b) 1773K氧化11h后SiC和Al-SiC陶瓷孔分布

(c) EDS

(d) Al-SiC陶瓷氧化后的Al分布

图七 氧化后式样的TEM分析

 (a) SiC

(b) Al-SiC

条件：1773K氧化11h

图八 SiC和Al-SiC 陶瓷氧化后的质量变化 

Al-SiC陶瓷质量-氧化时间函数可以拟合为三段线性函数，对应氧化的三个阶段

【小结】

Al₂O₃掺杂SiC陶瓷的氧化过程分为三个阶段。 首先，Al原子扩散到生成的SiO₂中，并取代Si原子形成-Al-O-Si-环。 然后，由于在Al-O键中的O原子和CO分子之间的反应，环被损坏，导致CO₂分子和O空位形成。 最后，一旦O₂或另一个CO分子接近O空位，将形成电子或电子环以恢复SiO₂的网络结构。

文献链接：Influence of Al₂O₃ on the oxidation resistance of SiC ceramic: First-principle study and experiment (Corros.Sci., 08 Feb, 2018, DOI: 10.1016/j.corsci.2018.02.009)

本文由材料人编辑部金属学术组liunian投稿，材料牛编辑整理。

材料人网专注于跟踪材料领域科技及行业进展，这里汇集了各大高校硕博生、一线科研人员以及行业从业者，如果您对于跟踪材料领域科技进展，解读高水平文章或是评述行业有兴趣，点我加入编辑部。

欢迎大家到材料人宣传科技成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱tougao@cailiaoren.com。

材料测试、数据分析，上测试谷！