薛海峰 陳涵 陳誠 郭露村

(南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京210009)

纖維氧化處理對(duì)SiCsf/SiC復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

薛海峰 陳涵 陳誠 郭露村

(南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京210009)

以Y2O3、Al2O3為燒結(jié)助劑，采用無壓燒結(jié)法制備短碳化硅纖維（2～4mm）增強(qiáng)碳化硅(Short SiC fiber reinforced SiC composite, SiCsf/SiC)復(fù)合材料，研究了纖維氧化處理對(duì)SiCsf/SiC復(fù)合材料結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響。采用X射線衍射(XRD)、掃描電鏡(SEM)以及力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)對(duì)材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征和力學(xué)性能測(cè)試。結(jié)果表明：纖維氧化處理后，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性均有大幅提高。當(dāng)纖維含量達(dá)到5wt%時(shí)，復(fù)合材料斷裂韌性為5.41MPa·m1/2，與原始纖維增強(qiáng)SiC樣品相比，提高了6.5%；與無纖維增強(qiáng)SiC樣品相比，提高了27%。掃描電鏡顯示纖維氧化處理后，纖維與基體結(jié)合緊密。

SiCsf/SiC復(fù)合材料,無壓燒結(jié),力學(xué)性能,氧化處理

1 前言

SiC陶瓷具有高強(qiáng)度、耐腐蝕、耐磨損、高硬度等優(yōu)良性能，是工程應(yīng)用中最有前景的高溫結(jié)構(gòu)陶瓷材料之一[1]。由于SiC陶瓷斷裂韌性較低，大大限制了其應(yīng)用范圍。為了提高韌性，在基體中添加增強(qiáng)相是目前廣泛采用的方法。碳化硅基復(fù)合材料中常用的增強(qiáng)相主要有顆粒彌散增韌、晶須增韌以及纖維增韌。研究表明，通過纖維增韌使SiC陶瓷韌性得到顯著提高[2]。

纖維增韌主要有連續(xù)纖維增韌和短纖維增韌。關(guān)于連續(xù)SiC纖維增韌SiC復(fù)合材料的研究十分廣泛，并且取得了很多成果[3-6]。而短SiC纖維增韌SiC復(fù)合材料的研究報(bào)道較少[7，8]。由于工藝簡(jiǎn)便，設(shè)備簡(jiǎn)單及制備成本低，SiCsf/SiC復(fù)合材料得到了廣泛的應(yīng)用[9]。

Jae-Seol Lee等人采用熱壓燒結(jié)法制備了致密的SiCsf/SiC復(fù)合材料[7，8]。本研究采用無壓燒結(jié)法制備SiCsf/SiC復(fù)合材料，通過對(duì)纖維氧化處理來改善纖維與基體界面性能，研究了纖維氧化預(yù)處理對(duì)SiCsf/SiC復(fù)合材料的力學(xué)性能及結(jié)構(gòu)的影響。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 材料制備

實(shí)驗(yàn)原料：SiC微粉（山東鑫源有限公司），平均粒徑0.45μm；燒結(jié)助劑：Y2O3粉（宜興新威利成稀土有限公司），平均粒徑0.51μm；Al2O3粉（浙江超微細(xì)化工有限公司），平均粒徑0.03μm；SiC纖維（蘇州賽力菲陶纖有限公司）直徑為5～16μm，將連續(xù)纖維剪切成長(zhǎng)度2～4mm的短纖維。

纖維處理方法為：使纖維在空氣氣氛中，1300℃下氧化處理1h。

將SiC、Al2O3和Y2O3按80∶11∶9（質(zhì)量比）配料，置于球磨灌中，加入無水乙醇作為球磨介質(zhì)，球磨8h；之后將纖維加入到無水乙醇中，超聲分散30min，再將分散完的溶液加入到SiC料漿中，繼續(xù)球磨1.5h；將分散均勻的漿料放到80℃烘箱中烘干，然后將烘干的料研磨、造粒、干壓成型，再使坯體在300MPa下冷等靜壓。最后將坯體在流動(dòng)的Ar氣氛下燒結(jié)，燒結(jié)溫度1900℃，保溫2h。

2.2 結(jié)構(gòu)與性能表征

根據(jù)Archimeders原理采用排水法測(cè)定試樣密度。采用三點(diǎn)彎曲法測(cè)定抗彎強(qiáng)度，試樣尺寸為3mm×5mm×50mm，跨距30mm；斷裂韌性通過單邊切口梁法測(cè)定，試樣尺寸為4mm×5mm×50mm，槽深2.5mm，跨距30mm，所用設(shè)備均為萬能試驗(yàn)機(jī)，加荷速率為0.5mm/min。通過X射線衍射（XRD, λ=1.5406?,ARLX’TRA，USA）來分析纖維和復(fù)合材料相組成。采用SEM(JSM-5900,JEOL,Japan)觀察試樣的表面和斷口形貌。

3 結(jié)果與討論

3.1 結(jié)構(gòu)分析

圖1為SiCsf/SiC復(fù)合材料樣品及SiC原料的XRD圖。從圖中可以看出，材料中主要包含YAG (Y3Al5O12)、α-SiC和β-SiC三相。由Y2O3-Al2O3相圖可知[10]，Y3Al5O12為低共熔相，最低共熔點(diǎn)在1760℃，因此復(fù)合材料的燒結(jié)機(jī)理為液相燒結(jié)。這有助于減小纖維架橋作用的影響，從而促進(jìn)SiCsf/SiC復(fù)合材料的致密化。

圖2為纖維的XRD圖。從圖中可以看出，纖維經(jīng)過氧化處理之后，產(chǎn)生了明顯的SiO2相。另外，SiC相衍射峰峰形變窄，峰強(qiáng)變高，這表明氧化處理后，纖維中的SiC相結(jié)晶逐漸完全。根據(jù)李效東[11]等人的研究，纖維在空氣中1300℃長(zhǎng)時(shí)間暴露后機(jī)械性能衰減較小。

3.2 纖維氧化處理對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

圖4為SiCsf/SiC復(fù)合材料顯氣孔率關(guān)系曲線。由圖可知，與復(fù)合材料A（原始纖維增強(qiáng)復(fù)合材料）相比，當(dāng)纖維含量≤5wt%時(shí)，復(fù)合材料B（氧化處理纖維增強(qiáng)復(fù)合材料）顯氣孔率稍有降低；當(dāng)纖維含量＞5wt%時(shí)，復(fù)合材料B顯氣孔率顯著降低。這表明：纖維經(jīng)氧化處理有利于復(fù)合材料的致密化，尤其在纖維含量較多時(shí)表現(xiàn)的更為明顯。因?yàn)槔w維經(jīng)氧化處理之后，纖維表面產(chǎn)生一層SiO2氧化層，燒結(jié)過程中，纖維表面SiO2與Al2O3、Y2O3低共熔生成液相[13]，增加了纖維表面附近的液相量，有利于減少纖維表面附近的氣孔，促進(jìn)材料的致密化。另外，從圖中還可以看出，隨著纖維含量的增加，復(fù)合材料的顯氣孔率均逐漸增加。這是因?yàn)槔w維的架橋作用在一定程度上阻礙了材料的致密化。當(dāng)纖維含量增加到一定量時(shí)，纖維之間互相搭架，抑制擴(kuò)散，阻礙基體包裹纖維和填充纖維之間的空隙[14]。

圖5為SiCsf/SiC復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度關(guān)系曲線。如圖所示，復(fù)合材料B的彎曲強(qiáng)度在不同纖維含量下均高于復(fù)合材料A。在纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料中，纖維對(duì)于復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度主要有兩方面的影響：(1)纖維起到很好的橋聯(lián)效應(yīng)，增加復(fù)合材料的強(qiáng)度；(2)纖維相互橋接成骨架在一定程度上阻礙了材料的致密化，從而降低材料的強(qiáng)度[14]。當(dāng)纖維經(jīng)氧化處理后，提高了材料的致密度，使纖維與基體結(jié)合緊密，從而在復(fù)合材料中起到了一定的傳遞載荷的作用，因此復(fù)合材料B的彎曲強(qiáng)度高于復(fù)合材料A。另外，圖中還顯示隨著纖維含量的增加，復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度均有所降低。這是因?yàn)榧尤隨iC纖維之后，纖維的架橋作用在一定程度上阻礙了材料的致密化，降低了復(fù)合材料的致密度，從而使得復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度有所降低[15，16]。

圖6為SiCsf/SiC復(fù)合材料斷裂韌性關(guān)系曲線。如圖所示，復(fù)合材料B的斷裂韌性高于復(fù)合材料A。當(dāng)纖維含量為5wt%時(shí)，斷裂韌性最高，為5.41MPa·m1/2，與復(fù)合材料A相比，斷裂韌性提高了6.5%。這主要是因?yàn)槔w維氧化處理后與基體結(jié)合緊密，纖維拔出吸收能量有利于復(fù)合材料韌性的提高[17]。

此外，從圖6中還可以看出，斷裂韌性呈先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)纖維含量達(dá)到5wt%時(shí)，比無纖維SiC樣品提高了27%。這說明SiC纖維的加入對(duì)SiC材料起到了一定增韌作用。然而，纖維含量較多時(shí)會(huì)相互橋接成骨架，使基體不能很好包裹纖維及填充纖維之間的空隙，從而產(chǎn)生氣孔，而氣孔對(duì)于復(fù)合材料的韌性提高不利[12]。所以，當(dāng)纖維含量＞5wt%時(shí)，材料斷裂韌性迅速下降，此時(shí)，氣孔對(duì)復(fù)合材料斷裂韌性的負(fù)面影響起主要作用。

纖維提高陶瓷復(fù)合材料韌性的可能機(jī)理有：纖維拔出、纖維斷裂及裂紋偏轉(zhuǎn)[17]。圖7為復(fù)合材料斷口形貌圖。從圖中可以看出，斷口處有明顯的纖維斷裂。從圖3中可以看出斷口處有部分纖維拔出?？梢?，纖維拔出及纖維斷裂是SiCsf/SiC復(fù)合材料的主要增韌機(jī)制。

4 結(jié)論

（1）以Y2O3,Al2O3為燒結(jié)助劑，采用無壓燒結(jié)法，通過纖維氧化處理工藝成功制備了致密的SiCsf/SiC復(fù)合材料。

（2）纖維氧化處理后，SiO2與Y2O3、Al2O3低共熔生成更多液相，填補(bǔ)纖維與基體之間的空隙，使纖維與基體緊密結(jié)合。

（3）纖維經(jīng)氧化處理后，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性均有所提高。當(dāng)纖維含量為5wt%時(shí)，與復(fù)合材料A相比，斷裂韌性提高了6.5%。復(fù)合材料斷裂韌性呈先增大后減小的的趨勢(shì)。當(dāng)纖維含量達(dá)到5wt%時(shí)，斷裂韌性最高，為5.41MPa·m1/2，與無纖維SiC樣品相比提高了27%。

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Abstract

SiCsf/SiC(Short SiC fiber reinforced SiC)composites were fabricated by pressless sintering with Y2O3and Al2O3as the additives.The effect of oxidation treatment of SiC fibers on the microstructure and mechanical properties were investigated by X-ray diffraction (XRD),scanning electron microscopy (SEM)and the measurement of fracture strength and fracture toughness.The results show that after oxidation treatment,the fracture strength and fracture toughness of the composites increased.Composites with 5wt% treated SiC fibers obtained the highest fracture toughness,5.41MPa·m1/2,which is an increase of 6.5%compared with those with untreated fiber reinforced SiC,a further increase of 27%over those monolithic SiC samples.The combination of fiber and matrix is found to be compact by SEM photographs.

Keywords SiCsf/SiC composites,pressless sintering,mechanical property,oxidation treatment

EFFECTS OF OXIDATION TREATMENT OF SiC FIBERS ON MECHANICAL PROPERTIES OF COMPOSITE SiCsf/SiC

Xue Haifeng Chen Han Chen Cheng Guo Lucun
(College of Materials Science and Engineering,Nanjing University of Technology,Nanjing Jiangsu 210009,China)

TQ174.75

A

1000-2278（2011）01-0006-05

2010-09-25

江蘇省科技支撐計(jì)劃（編號(hào)：BE2009169）

郭露村，E-mail:lc-guo@163.com