Corrosion Science：Al2O3對SiC陶瓷抗氧化性的影響
【引言】
SiC因其熱膨脹系數低，導熱系數高，熱穩定性優異和抗氧化性好等優良的性能而被廣泛用于高溫含氧環境下作為保護涂層材料。包埋熔滲作為SiC涂層的制備方法之一，使涂層和基材之間形成牢固的界面結合，并形成梯度涂層。包埋熔滲原料由Si，石墨和Al2O3組成。然而，到目前為止，很少報道Al2O3對SiC抗氧化性的影響。
【成果簡介】
近日，西北工業大學李賀軍教授，付前剛教授（共同通訊作者）在Corrosion Science上發表了題為“Influence of Al2O3 on the oxidation resistance of SiC ceramic: First-principle study and experiment”的文章。研究人員通過第一性原理計算和氧化實驗研究了Al2O3對SiC陶瓷抗氧化性能的影響。研究了CO或O2分子擴散到摻雜Al的SiO2中的局部化學性質，并通過具有/不具有Al2O3的SiC陶瓷的氧化行為來定性地驗證。Al2O3摻雜SiC陶瓷的氧化過程分為三個階段，且Al2O3的引入對SiC陶瓷的抗氧化性有負面影響，但其負面影響是有限的。本文第一作者為博士生程春玉。
【圖文解讀】
表一 具有間隙CO分子的SiO2和Al-SiO2中C-O和Al-O鍵的Mulliken鍵布居和長度
| ? | Bond population(bond length/?) | |
| ? | SiO2 | Al-SiO2 |
| C-O2 | 1.19(1.15) | 1.11(1.20) |
| C-O1 | -0.04(2.71) | 0.52(1.39) |
| Al-O | - | 0.46(1.68) |
| ? | - | ? 0.47(1.68) |
| ? | - | ?0.45(1.71) |
| Al-O1 | - | 0.1(2.01) |
圖一 含間隙CO分子的SiO2和Al-SiO2的PDOS曲線
(a) SiO2
(b) Al-SiO2
圖二 具有間隙O2分子的Al-SiO2-VO的PDOS曲線
?O-O鍵的穩定性下降，O和Si sp軌道之間存在寬雜交，O與Al鍵合
圖三 具有間隙CO分子的Al-SiO2-VO的PDOS曲線?
該圖顯示了CO分子擴散到O空位后Si原子，C原子，O原子和Al原子的電子態。形成了更穩定的C-O鍵，C-Si鍵合，Al-O鍵合。
圖四 Al-SiC陶瓷樣品的微觀組織和相組成
?(a) 表面背散射圖像，插圖為XRD曲線
(b-e) 點1,2,3,4的EDS分析
圖五 Al-SiC陶瓷樣品TEM分析?
(a) 明場像，SAED，EDS分析
(b) 區域A的HRTEM圖像
圖六 氧化后Al-SiC陶瓷樣品分析
(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
圖七 氧化后式樣的TEM分析
?(a) SiC
(b) Al-SiC
條件：1773K氧化11h
圖八 SiC和Al-SiC 陶瓷氧化后的質量變化?
Al-SiC陶瓷質量-氧化時間函數可以擬合為三段線性函數，對應氧化的三個階段
【小結】
Al2O3摻雜SiC陶瓷的氧化過程分為三個階段。 首先，Al原子擴散到生成的SiO2中，并取代Si原子形成-Al-O-Si-環。 然后，由于在Al-O鍵中的O原子和CO分子之間的反應，環被損壞，導致CO2分子和O空位形成。 最后，一旦O2或另一個CO分子接近O空位，將形成電子或電子環以恢復SiO2的網絡結構。
文獻鏈接：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)
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