纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料的界面区研究 - 沈阳材料科学国家 ...

·1540· 稀 有 金 属 材 料 与 工 程 第 36 卷
利 用 TEM 和 电 子 衍 射 技 术 , 针 对 三 维 编 织 连 续 碳 纤
维 增 韧 碳 化 硅 基 复 合 材 料 (3D C/SiC), 观 察 CFCC 内
界 面 与 裂 纹 的 相 互 作 用 , 并 对 其 作 用 的 机 制 、 影 响 因
素 以 及 模 型 作 初 步 的 探 讨 。
2 界 面 区 概 念 的 提 出
在 CFCC 发 展 的 早 期 , 玻 璃 陶 瓷 基 复 合 材 料 由 于
易 发 生 界 面 反 应 而 常 常 导 致 性 能 低 下 。 为 此 , 研 究 者
们 尝 试 在 纤 维 表 面 先 行 制 备 一 定 物 理 厚 度 的 涂 层 , 以
此 来 避 免 纤 维 与 基 体 的 反 应 , 取 得 了 很 好 效 果 。 此 后 ,
纤 维 涂 层 自 然 被 用 到 连 续 纤 维 增 韧 碳 化 硅 基 复 合 材 料
中 , 并 被 称 为 界 面 相 (interphase) 或 界 面 层 (interfacial
layer)。 在 碳 化 硅 基 体 中 , 这 层 界 面 相 多 为 热 解 碳
(PyC) 和 氮 化 硼 (BN), 因 为 其 本 身 的 层 状 结 构 和
具 有 一 定 物 理 厚 度 , 促 使 裂 纹 在 与 该 层 物 质 发 生 作 用
时 , 因 (0001) 面 之 间 的 范 德 华 力 弱 结 合 而 发 生 扩 展
方 向 的 改 变 。 这 样 , 裂 纹 在 经 由 纤 维 时 , 就 可 因 足 够
厚 的 层 状 界 面 而 发 生 桥 接 , 避 免 了 对 纤 维 的 损 伤 , 使
得 材 料 整 体 表 现 为 一 伪 塑 性 行 为 , 材 料 的 破 坏 不 再 是
灾 难 性 的 瞬 时 断 裂 。 这 一 设 计 思 想 解 决 了 陶 瓷 基 体 脆
性 的 致 命 弱 点 , 使 C/SiC 和 SiC/SiC 为 代 表 的 CFCC
成 为 目 前 研 究 开 发 与 应 用 最 多 也 最 为 成 功 的 陶 瓷 基 复
合 材 料 。
图 1 为 CFCC 中 界 面 区 域 的 示 意 图 。 由 图 1 可 以
看 出 , 裂 纹 要 在 该 区 域 发 生 偏 转 ,3 个 部 分 影 响 最 大 ,
1 是 界 面 相 / 基 体 (I/M) 界 面 、2 是 界 面 相 / 纤 维 (I/F)
界 面 、3 是 界 面 相 本 身 。3 者 的 结 构 、 界 面 层 本 身 的 厚
度 和 本 征 性 质 , 决 定 着 裂 纹 达 到 该 区 域 后 的 行 为 。 这
3 者 , 因 其 相 关 性 强 , 可 以 共 同 定 义 为 ‘ 界 面 区 域 ’,
简 称 为 界 面 区 (interfacial zone)。 界 面 区 也 就 指 具 有
一 定 物 理 厚 度 , 含 有 两 处 界 面 (I/M, I/F) 与 体 相 ( 界
面 相 , I) 的 区 域 。
一 无 厚 度 的 界 面 显 然 是 非 常 不 合 理 的 。 而 后 来 的 材 料
研 究 者 , 以 法 国 热 结 构 复 合 材 料 实 验 室 为 代 表 , 则 把
其 视 为 一 个 界 面 相 , 并 由 对 界 面 相 及 其 厚 度 的 考 虑 出
发 , 提 出 多 层 界 面 层 和 自 愈 合 界 面 层 , 对 这 2 种 界 面
层 的 效 果 进 行 了 评 估 , 从 实 验 和 力 学 计 算 上 研 究 了 其
对 裂 纹 偏 转 和 抗 氧 化 的 影 响 , 使 得 界 面 研 究 取 得 了 新
的 突 破 [11~13] 。 但 是 , 他 们 忽 视 了 I/M 和 I/F 两 处 界 面 ,
使 所 得 的 裂 纹 在 界 面 区 域 的 行 为 不 够 完 善 。
为 此 , 本 研 究 将 从 所 定 义 的 界 面 区 出 发 , 即 同 时
考 虑 I/M,I/F 与 界 面 相 3 个 部 分 , 选 取 目 前 最 为 普 遍
的 单 一 界 面 层 而 非 多 层 界 面 层 , 对 裂 纹 与 界 面 区 的 相
互 作 用 进 行 研 究 。
3 实 验 方 法
选 取 化 学 气 相 浸 渗 (Chemical Vapor Infiltration,
CVI) 工 艺 制 备 的 3D C/SiC [2] , 从 体 材 上 斜 向 切 取 一
200 µm 厚 的 Φ3 mm 薄 片 , 磨 至 100 µm 左 右 后 , 使 用
Gatan656 型 凹 坑 仪 凹 至 中 心 部 位 20~30 µm 厚 为 止 ,
置 于 Gatan 691 型 离 子 减 薄 仪 中 ,5 kV 下 离 子 减 薄 至
中 心 透 过 。 于 200 kV 工 作 电 压 下 , 利 用 JEOL-2010
高 分 辨 透 射 电 镜 对 试 样 进 行 微 结 构 观 察 , 并 采 用 电 子
衍 射 确 定 各 相 。 实 验 在 沈 阳 材 料 科 学 国 家 实 验 室 固 体
原 子 像 研 究 部 完 成 。
4 结 果 与 讨 论
3D C/SiC 复 合 材 料 的 内 部 微 观 组 织 结 构 如 图 2 所
示 。 由 图 2 可 知 , 该 界 面 相 为 热 解 碳 , 由 C 4 H 10 气 体
于 900 ℃ 左 右 分 解 获 得 , 约 厚 200 nm。 其 电 子 衍 射 花
样 与 图 中 C 纤 维 衍 射 花 样 中 的 两 小 短 弧 相 比 , 接 近 于
圆 环 , 显 示 出 非 常 微 弱 的 织 构 性 。 结 合 高 分 辨 TEM 观
Matrix
I/M interface
I/M interface
Interphase
Interfacial zone
Interphase
Matrix
I/F interface
I/F interface
Fiber
Fiber
200nm
图 1 CFCC 中 界 面 区 示 意 图
Fig.1 Schematic illustrating the ‘interfacial zone’ of CFCC
由 此 定 义 可 知 , 以 往 力 学 研 究 中 把 界 面 区 简 化 为
图 2 3D C/SiC 的 内 部 微 观 组 织 结 构 及 界 面 相 与 纤 维
的 电 子 衍 射 花 样
Fig.2 TEM image and the electron diffraction pattern of PyC
interphase and carbon fiber for the 3D C/SiC composites