脉冲直流电场下富硼渗剂化学机理研究：B4C氧化路径与硼传输增强机制

本文系统研究了脉冲直流粉末包埋渗硼（PDCPB）技术中富硼介质的化学演化路径。通过XPS、XRD等分析手段，揭示了B4C在氧化反应中的双重作用（硼源/活性物种）、SiC氧化对介质稳定性的贡献，以及KBF4热解对导电性与硼释放的协同促进机制，为优化渗硼工艺提供了关键理论依据。

　　

Section snippets

Experimental procedure

渗硼介质初始配比为70 wt.% B₄C、20 wt.% SiC和10 wt.% KBF₄。各组分纯度均高于98%（供应商：Micro de México和Hersol S.A. de C.V.）。粉末经机械混合30分钟后，通过冷压成型制备为直径10 mm的圆柱体试样，压力为5吨并保压5分钟。

Morphology and chemical composition of C1 and C2

图1a展示了C1状态下的渗硼介质形貌。SEM二次电子像中可识别三类颗粒：i) 浅灰色六边形结构颗粒（正交晶系特征），尺寸大于25 μm（点1）；ii) 中等灰色板状颗粒，尺寸小于8 μm（点2）；iii) 不规则深灰色颗粒，尺寸12-25 μm（点3）。EDS分析显示点1含B和C（对应B₄C），点2含Si和C（对应SiC），点3含K、B和F（对应KBF₄）。

XPS深度剖析揭示C1和C2的化学组成显著变化：B₄C含量从46.7 at%降至37.8 at%，证实其作为硼源和氧化反应参与者的双重角色；B₂O₃从2.5 at%增至5.0 at%，暗示其通过低价离子态促进硼传输；SiC从47.0 at%降至28.6 at%，与氧化生成SiO₂和单质Si的路径一致；KBF₄含量下降约50%，符合其热分解为KF和BF₃的反应机制。

Conclusions

本研究通过多尺度表征揭示了PDCPB过程中渗硼介质的化学演化机制：

• B₄C通过氧化反应（B₄C(s) + 2O₂(g) → B₂O₃(s) + 2B(s) + CO(g)）同时提供活性硼源并生成促进传输的低价氧化物；

• SiC氧化产物（SiO₂/Si）有效抑制过度氧化并稳定介质结构；

• KBF₄热解产物（KF/BF₃)显著增强体系导电性与硼迁移效率；

• 热力学计算证实上述反应路径在PDCPB条件下的自发性。