Межфазные свойства миникомпозитов SiCf/SiC с шеелитовым покрытием

Oct 26, 2023

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 21950 (2022) Цитировать эту статью

666 Доступов

Подробности о метриках

Методом инфильтрации прекурсора и пиролиза изготовлен однонаправленный миникомпозит SiCf/SiC с межфазным покрытием из шеелита (CaWO4). Фрактография миникомпозитов SiCf/SiC показала, что слабая связь волокна с матрицей может обеспечиваться межфазной границей CaWO4. Кроме того, межфазное напряжение разрушения миникомпозита SiCf/CaWO4/SiC было оценено с помощью теста на выталкивание волокна и составило 80,7 ± 4,6 МПа. Было проведено исследование методом СЭМ на растяжение миникомпозита SiCf/CaWO4/SiC после окисления при 1000–1100 °C и исследована термическая совместимость между межфазным покрытием CaWO4 и волокном или матрицей SiC после термообработки при 1300 °C.

Включение армирующих волокон в хрупкую керамическую матрицу обеспечивает определенную псевдопластичность композитам с керамической матрицей (CMC), обычно армированным волокном SiC матричным композитом SiC (SiCf/SiC), предотвращая катастрофический отказ за счет нескольких механизмов, таких как разрыв волокна. , скольжение волокон и перекрытие трещин. Композиты SiCf/SiC считаются многообещающими материалами, прочными для применения в суровых условиях окружающей среды, таких как сверхзвуковой транспорт, космические самолеты и термоядерные реакторы1,2,3. Отклонение трещин матрицы в межфазной зоне волокно-матрица реализуется и контролируется путем нанесения на волокна слоя покрытия из податливого материала перед изготовлением матрицы4,5,6. Наиболее эффективным межфазным покрытием считается покрытие PyC или BN7,8,9. Однако применение композитов SiCf/SiC ограничено ухудшением механических свойств в окислительных средах из-за окисления покрытия PyC или BN на границе раздела волокно/матрица, особенно при промежуточных температурах4, 10.

Альтернативные устойчивые к окислению межфазные материалы, такие как ортофосфатмонацит редкоземельных элементов (LaPO4), рассматривались в качестве устойчивых к окислению межфазных волокнистых матриц для КМЦ из-за слоистой кристаллической структуры и возможности пластической деформации. Исследования интерфазы LaPO4 показали, что она может деформироваться под действием механических напряжений при низких температурах за счет двойникования и дислокации11,12,13. Однако было обнаружено, что он термодинамически несовместим с SiC14,15. Как совместимость, так и стойкость к окислению важны для межфазного покрытия, чтобы обеспечить длительное применение КМЦ на воздухе. Шанмугам и др. показали, что муллитовая межфаза в композитах SiCf/SiC отклоняет трещины даже после выдержки на воздухе при 1000 °C в течение 24 часов16. Ли и др. продемонстрировали использование многослойных оксидных покрытий SiO2/ZrO2/SiO2 для композитов SiC/SiC. Прочность композита и прогиб трещины сохранялись после окисления на воздухе при температуре 960 °С в течение 10 ч17. Шеелит (CaWO4) имеет слоистую структуру, состоящую из тетраэдров (WO4) и восьмикоординированных центров Ca, и раскол его кристалла отмечен по плоскостям (101). Слоистая кристаллическая структура и возможность пластической деформации шеелита (CaWO4) делают его еще одним потенциальным межфазным материалом для композитов SiCf/SiC18,19,20,21,22. До сих пор не изучены возможности изготовления шеелитовых материалов в качестве межфазного покрытия в композите SiCf/SiC и исследования его влияния.

В данной работе однонаправленный миникомпозит SiCf/CaWO4/SiC был получен методом инфильтрации и пиролиза прекурсора (PIP). Эффективность межфазного покрытия CaWO4 исследовали путем сравнения фрактографии композитов SiCf/SiC с межфазным покрытием CaWO4 и без него. Межфазные свойства композитов количественно характеризовались испытаниями на выталкивание волокон. Для оценки стойкости к окислению межфазного покрытия CaWO4 в богатых кислородом средах композиты SiCf/CaWO4/SiC были окислены при температуре 1000–1100 °C. Кроме того, композиты SiCf/CaWO4/SiC подверглись термообработке при 1300 °C для исследования совместимости между межфазным покрытием CaWO4 и волокном или матрицей SiC.