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核工业用低温烧结助剂RE-Si-C(RE=Ce、Eu和Yb)体系相图及界面相变研究

批准号:
52101026
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
徐凯
学科分类:
金属材料设计、计算与表征
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
徐凯

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
SiC基材料是下一代包壳及核聚变堆流道插件的重要候选材料之一。因其熔点高、脆性大,烧结和连接一直是核材料工程化应用的难点,同时是核级安全的重点。添加烧结助剂实现致密化烧结,在本质上包括对烧结助剂组分设计和界面相变的研究。本项目基于稀土元素的“双峰效应”,以RE-Si-C(RE=Ce、Eu和Yb)体系为研究对象,化合物RE3Si2C2为目标涂层材料,重点开展以下研究:1) 耦合高通量实验、第一性原理和相图计算(CALPHAD)构筑RE-Si-C体系热力学数据库;2) 基于相图计算指导表面涂层组分设计与工艺参数筛选;3) 研究烧结过程纳米颗粒的结构演化,阐明SiC/RE3Si2C2的界面相变机理和控制方法。本项目将揭示RE3Si2C2对烧结温度和致密化效果的作用规律,设计出适用于SiC低温液相烧结(<1200℃)且致密化效果好(>99.7%)的成分区间,并为其他相关工作提供可借鉴的研究思路。
英文摘要
SiC-based materials are one of the major categories suitable for the next generation cladding and nuclear fusion reactor runner inserts. Due to the high melting point and brittleness, sintering and joining issues are always being the obstacles that hinder their engineering applications. Incorporating sintering additives is the mainstream technology to achieve dense sintering in SiC, among which, it is particularly important to design the components of additives and study the behavior of interfacial phase transitions. This project is to investigate the RE-Si-C (RE= Ce, Eu and Yb) systems based on the bimodal effect of rare-earth elements, take the intermetallic compound RE3Si2C2 as the target coating, and focus on the following work: 1) establishing the thermodynamic database of the RE-Si-C systems by coupling high-throughput experiments, first-principles calculations and the CALPHAD (CALculation of PHAse Diagram) approach; 2) guiding the component design of auxiliary layer and the optimization of process parameters by the CALPHAD approach; 3) describing the interfacial phase transition mechanism of SiC/RE3Si2C2 by combining the theoretical calculations and the structure evolution of nano-particles. This project will clarify the temperature-based regularity and densification law between different rare-earth intermetallic compounds used as low-temperature additives, design appropriate composition range for the low-temperature liquid-phase sintering of SiC-based materials (<1200℃) with a fully dense microstructure (>99.7%), and provide research ideas for other related work as well.
SiC基材料具有高温强度好、耐高温腐蚀、耐辐照损伤等优点,是下一代包壳及核聚变堆流道插件的重要候选材料之一。然而,如何高效设计合理的低温助剂材料体系来有效降低工艺温度、提升SiC基材料的烧结和连接效果是一个重要问题。本项目基于前期研究基础,结合稀土元素的“双峰效应”,以RE-Si-C(RE=Ce、Eu和Yb)体系为研究对象,研究了稀土改性SiC基材料的成分与结构演变规律,主要研究成果有:1)通过耦合文献实验数据、第一性原理计算和相图计算(CALPHAD)方法优化热力学初始参数,构建了包含Yb、Ce在内的6种稀土元素的RE-Si-C体系热力学数据库;2)通过热力学计算设计了稀土元素与SiC之间的成分配方和连接工艺参数,并结合实验制备表征和理论计算阐明了SiC/RE3Si2C2的界面相变机理和控制方法;3)在Advcanced Science、Journal of Materials Science & Technology、Scripta Materialia等国际权威或知名期刊发表论文10篇。本项目系统地构建了多个RE-Si-C体系热力学数据库,并基于数据库成功设计了Ce3Si2C2、Yb3Si2C2等有望在1200 ℃实现低温连接的助剂材料。该方法为其他SiC基材料的设计提供一种计算和实验相结合的研究思路,这既能够降低实验试错成本,也可以解释制备和服役过程中的结构演变机制,并为基于相图热力学计算基础理论的材料设计提供了实际应用方案。
核工业用低温烧结助剂RE-Si-C(RE=Ce、Eu和Yb)体系相图及界面相变研究
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