余小斌 ， 孟江燕 ， 范金娟 ， 魏振偉

（1. 南昌航空大學 材料科學與工程學院，南昌 330063；2. 中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095）

0 引言

連續(xù)碳化硅纖維增強碳化硅陶瓷基復合材料（SiCf/SiC 復合材料）具有抗氧化、耐輻射、低密度、耐高溫等優(yōu)異性能，是高推重比航空發(fā)動機及空天飛行器熱端部件重要的候選材料[1-5]。研究其在服役環(huán)境下的微裂紋萌生及擴展路徑、微觀變形及破壞過程，是壽命預測、失效機制研究、界面結合強度設計準則的物理基礎和依據。但由于陶瓷材料的失效通常是由最薄弱的微觀結構引起的[6]，并且SiCf/SiC 復合材料結構從損傷起始到最終破壞的發(fā)展歷程非常復雜[7-8]，存在單根纖維斷裂、基體開裂、界面分層、裂紋偏轉、分叉等多種單一或復合的失效模式。目前，常用的非原位(ex situ)測試方法是在顯微成像儀器上進行試樣斷口特征分析，以此推演裂紋的萌生位置、擴展方向以及損傷發(fā)展過程，該方法不僅很難判斷上述失效模式的先后順序，也很難給出復合材料性能與微觀結構的對應關系，以及將斷口微觀特征與應力狀態(tài)建立聯系[9-13]。

由于非原位測試技術無法滿足SiCf/SiC 復合材料在載荷作用下的微觀結構檢測所需，日本于1996 年首次開展原位(in situ)觀測SiCf/SiC 復合材料疲勞裂紋萌生和擴展研究[14]。原位觀測技術在金屬材料領域研究其疲勞裂紋的萌生和擴展行為[15-16]、拉伸裂紋的萌生和擴展行為[17]等方面日趨成熟，但在SiCf/SiC 復合材料領域應用研究中處于初期階段。原位觀測技術是指在微/納米尺度下對材料進行力學性能的測試過程中，借助特殊顯微成像儀器對其所發(fā)生的微變形、微損傷等過程進行實時、動態(tài)、連續(xù)地觀測，同時實時跟蹤采集位移-載荷信息。該檢測手段能夠準確地反應出SiCf/SiC 復合材料裂紋的萌生位置、開裂應力以及裂紋擴展路徑等重要信息以及最終失效機制。

隨著原位分析技術的發(fā)展，出現了掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscopy, SEM)原位觀測、X 射線計算斷層掃描(X-ray Computed Tomography, X-CT)原位觀測、透射電子顯微鏡(Transmission Electron Microscopy, TEM)原位觀測等分析方法。本研究闡述了各種分析方法的原理及研究SiCf/SiC 復合材料在服役環(huán)境下纖維、界面、基體間的損傷演變過程中的優(yōu)勢、局限性和目前應用情況，闡明了SiCf/SiC 復合材料今后的研究與發(fā)展方向。

1 SEM 原位觀測

SEM 原位觀測表征SiCf/SiC 復合材料微觀結構隨著載荷演變的過程，是一種非常有效而直觀的研究方法，可以實現高分辨率材料微結構的原位研究。SEM 原位觀測具有分辨率高、成像速度快等顯著特點，非常適合材料在載荷作用下對其表面微觀特征的實時、動態(tài)、連續(xù)地觀測，同時SEM 檢測對測試試樣的表面粗糙度要求較低，還可觀測到材料的塑性變形過程，甚至還可以定量得到裂紋長度隨著應力的變化，進而準確辨認出纖維、基體失效模式的先后順序[18-20]。

SEM 原位觀測SiCf/SiC 復合材料是試樣在載荷作用下發(fā)生一定的變形。由于電子射束總是直線傳播，為了得到清晰的圖片，則在電子射束路徑上設置了一個電磁環(huán)，通過調節(jié)電磁環(huán)中電磁力的大小，以確保發(fā)射電子射束與試樣變形一致，進而產生相對靜止以獲得相對清晰的圖像。試驗裝置如圖1 所示[21]。

圖 1 SEM 原位試驗裝置Fig.1 Diagram of SEM in-situ experimental equipment

目前，采用SEM 原位觀測技術分析SiCf/SiC復合材料疲勞損傷、拉伸/壓縮等方面的研究較多。Miyashita 等[22]采用SEM 原位分析技術研究2 種SiCf/SiC 復合材料在室溫和800 ℃下的疲勞損傷過程。試樣預制的V 型切口位于縱向纖維束處，發(fā)現標準型SiCf/SiC 復合材料在室溫下裂紋萌生于切口尖端附近的纖維-基體界面處，裂紋沿著界面擴展，纖維出現了裂紋，界面裂紋和纖維裂紋連接后繼續(xù)擴展。另外，裂紋不僅萌生于V 型切口處，一些裂紋還萌生于孔隙處。然而，最后斷裂過程為主裂紋分叉并與在V 型切口處萌生的裂紋連接。加強型SiCf/SiC 復合材料第一次加載循環(huán)載荷后裂紋萌生于V 型切口根部的一側，并且裂紋沒有擴展。隨著載荷的增加，循環(huán)加載5 000次后發(fā)現新的裂紋萌生于V 型切口根部的另一側的孔隙處，但此裂紋并沒有擴展。遠離V 型切口孔隙處萌生的第3 條裂紋與第2 條裂紋連接，形成主裂紋，導致試樣失效。如圖2 所示，800 ℃下的失效過程與室溫類似。

Zhao 等[23-25]采用SEM 原位觀測SiCf/SiC 復合材料在壓縮加載模式下的失效過程，以裂解碳(PyC)為界面層的SiCf/SiC 復合材料呈非脆性斷裂模式，裂紋萌生于切口根部一側纖維和基體界面處，隨著載荷的增加，纖維-基體界面逐漸脫粘，裂紋沿著界面擴展，而后新的裂紋形成于切口兩邊且裂紋沒有擴展。試樣的最終失效由其他裂紋引起，整個試樣可觀測到大量的二次裂紋。因此，初始裂紋并非最終失效裂紋。以碳納米管(CNTs)為界面層的SiCf/SiC 復合材料呈脆性斷裂模式，初始裂紋萌生于切口尖端，并迅速向壓縮載荷方向擴展，貫穿整個試樣，成為主裂紋，導致復合材料發(fā)生災難性的破壞。

圖 2 SEM 原位觀測SiCf/SiC 復合材料在室溫下的疲勞裂紋擴展途徑Fig.2 SEM in-situ observation of fatigue crack growth path in SiCf/SiC composites at room temperature

Chateau 等[26]采用SEM 原位分析技術研究單軸拉伸測試SiC/SiCmini 復合材料損傷演變，發(fā)現大多數的裂紋出現在宏觀應力-應變曲線非線性部分，并且觀測發(fā)現一些裂紋在低應力或高應力下萌生，在試樣長度2 mm 的范圍內有3 個區(qū)域出現了開裂，開裂區(qū)間從0.1 μm 到幾μm 逐漸變化，試樣的最終失效位置與纖維斷裂密度有關。

北京航空材料研究院采用SEM 原位觀測單向SiCf/SiC 纖維束復合材料拉伸失效過程發(fā)現：初始裂紋萌生于SiC 基體，為橫向裂紋，裂紋方向垂直于載荷方向；隨著載荷增加基體中裂紋數量增加，初始裂紋在基體中不斷向前擴展，次生裂紋逐漸形成。隨著載荷的繼續(xù)增加，單根纖維斷裂，基體裂紋與纖維斷裂處相連接，繼續(xù)加載，試樣發(fā)生斷裂，斷口處可見大量纖維拔出特征。另外，北京航空材料研究院還采用SEM 原位觀測單向SiCf/SiC 復合材料板材拉伸失效行為發(fā)現：初始裂紋萌生與試樣表面缺陷關系不大，與試樣加工質量密切相關，如圖3 所示。

SEM 原位觀測材料的損傷演變是當前原位分析中應用較多的一種方法，但其具有一定的局限性。SEM 原位測試需在SEM 狹小的腔體中同時安裝加載裝置和加熱平臺，由于SEM 腔體空間的限制，加載裝置必須小型化，且其具有極高的控制精度和穩(wěn)定性[27]。由于SiCf/SiC 復合材料組成復雜且硬度和脆性大，并且試樣尺寸復雜（圖4），加工難度較大。而且SEM 只能觀測到試樣表面的信息，無法觀測試樣內部及另一表面的裂紋萌生與擴展以及纖維斷裂特征信息。因此，近年來發(fā)展了X-CT 原位分析技術。

圖 3 SEM 原位觀測SiCf/SiC 復合材料拉伸測試裂紋萌生和擴展過程Fig.3 SEM in-situ observation of tensile testing crack initiation and propagation processes of SiCf/SiC composites

圖 4 試樣幾何結構[22]Fig.4 Specimen geometry

2 X-CT 原位觀測

X-CT 原位測試是將測試試樣放置于載物臺上，在載荷作用下，X 射線光束穿透試樣，在穿透過程中X 射線能量衰減，并被X 射線探測器收集，經過二維重建和體繪制，即可得到高分辨率的試樣內部三維結構信息。在成像過程中試樣需旋轉180°或360°，且在旋轉過程中X 射線束不能被加載裝置的支撐結構所遮擋[28-30]。

根據X 射線源的不同，X-CT 可以分為2 類：同步輻射X 射線斷層掃描(Synchrotron Radiation X-ray Computed Tomography，SR-CT)和實驗室X射線斷層掃描（Laboratory Computed Tomography，Lab-CT）。Lab-CT 的X 光源易于獲取且屬于點光源，操作簡便，空間分辨率已接近1 μm，掃描時間長；而SR-CT 的X 射線具有高能量、高通量、高強度、高純度和高準直型等特點，且曝光時間明顯減少，提高了時間分辨率，完成一次掃描只需要幾分鐘甚至更短，空間分辨率可在幾十nm 到幾mm 之間[30-32]。X-CT 原位觀測技術已用于SiCf/SiC 復合材料的裂紋萌生與擴展路徑領域的研究，有助于研究SiCf/SiC 復合材料內部的裂紋隨著外加載荷的變化以及微觀結構-性能間的密切關系。SRCT 原位測試系統(tǒng)如圖5 所示。

圖 5 SR-CT 原位拉伸/壓縮測試裝置示意圖[33]Fig.5 Schematic illustration of synchrotron X-ray computed microtomography in-situ testing for tensile/compression test

Lab-CT 原位觀測SiCf/SiC 復合材料壓縮試樣較小，縱向壓縮試樣尺寸為5.2 mm×4.6 mm×10.7 mm，橫向壓縮試樣尺寸為5.8 mm×5.2 mm×11.0 mm[34]。SR-CT 原 位 觀 測SiCf/SiC 復 合 材 料拉伸試樣與常規(guī)拉伸試樣形狀相同，而原位拉伸試樣平行段尺寸為14 mm×4 mm，厚度為0.2 mm；疲勞原位拉伸試驗需在試樣的一側中間位置開一U 型切口[35]。而SiCf/SiCmini 復合材料原位拉伸試樣長度為15 mm[36]，正好解決了SEM 原位觀測其微裂紋拉伸試樣難制備的問題且效率高，有助于脆性材料試樣的制備，這是X-CT 原位觀測方法的獨特優(yōu)勢。

X-CT 可根據需要隨時調整射線角度、對感興趣區(qū)域進行放大，能夠實時地觀測、分析SiCf/SiC復合材料內部的裂紋萌生及擴展路徑，以及其最終破壞失效機制，還能對損傷進行定性和定量的分析，并獲得其三維損傷信息及微觀結構對應不同響應信號的動態(tài)過程，這彌補了SEM 原位觀測技術只能觀測到試樣表面信息的缺陷。對研究SiCf/SiC 復合材料三維動態(tài)損傷演變具有十分重要的實際工程意義。

目前，采用X-CT 原位觀測技術對SiCf/SiC 復合材料疲勞損傷、拉伸/壓縮等進行了大量的實驗研究。Wan 等[34]采用Lab-CT 原位研究了3D 編織SiC 陶瓷基復合材料在壓縮載荷下的力學損傷過程，研究發(fā)現裂紋萌生于試樣內部的纖維束初始缺陷，并沿著纖維束與基體間的界面逐漸擴展?？v向壓縮，即平行于纖維束方向，初始彈性模量隨著壓縮應變的增加而減小，由于裂紋的分布，橫截面拉伸應變發(fā)生變化；橫向壓縮，即垂直于纖維束方向，壓縮彈性模量恒定不變，拉伸應變沿著纖維方向發(fā)生微小的變化。

Haboub 等[33,36]利用SR-CT 原位拉伸測試SiCf/SiCmini 復合材料在25、1 750 ℃下的損傷演變過程，觀測發(fā)現在加載過程中基體首先萌生裂紋，裂紋大致垂直于所施加的力，并且在沒有基體裂紋的位置處個別纖維斷裂，基體中的裂紋通過SiCf/SiC mini 復合材料的橫截面不斷擴展；隨著載荷的增加，基體裂紋開口位移逐漸變大，且在載荷作用下高溫的裂紋開口位移比低溫的位移更大，直至SiCf/SiCmini 復合材料斷裂停止加載，如圖6 所示。Chateau 等[37]利用SR-CT 原位分析技術研究SiCf/SiCmini 復合材料在拉伸載荷作用下的內部基體裂紋擴展和纖維斷裂特征，研究發(fā)現基體裂紋擴展不連續(xù)且擴展比較緩慢，甚至基體裂紋達到了飽和，也觀測到了一些纖維失效，纖維斷裂導致SiCf/SiCmini 復合材料最終失效，失效后觀測到纖維斷裂密集區(qū)域附近有基體裂紋。

圖 6 在25、1 750 ℃下SR-CT 原位測試單束SiCf/SiCmini 復合材料的損傷演變[33]Fig.6 Damage evolution of single-beam SiCf/SiC composite by SR-CT in-situ testing at 25 and 1 750 ℃

Saucedo-Mora 等[38]利用SR-CT 原位研究了一種編織核級SiC-SiC 陶瓷基復合材料管的拉伸損傷演變行為，發(fā)現SiC 層出現了大量的裂紋并開裂；裂紋穿過SiC 基體向中心擴展，并在纖維束處發(fā)生了偏轉；在相同位置更高分辨率下觀測到外層沒有纖維，裂紋主要在纖維之間擴展，試樣的深處也可觀察到斷裂的纖維。Chen 等[39]采用SRCT 原位分析技術研究SiC/SiC 復合材料管拉伸力學行為，分析表明損傷萌生優(yōu)先發(fā)生在纖維束界面附近的外層基體中，主要位于大孔隙的邊緣引起的應力高度集中處。

SR-CT 原位觀測在成像時間、試樣尺寸和分辨率等方面較優(yōu)于Lab-CT 原位觀測，但SR-CT 原位觀測成像需要龐大的同步輻射裝置，因此，國內能實現SR-CT 原位觀測成像的資源十分有限且成本較高。在原位測試過程中加載裝置和升溫平臺會遮擋X 射線，需解決加載裝置和升溫平臺不遮擋X 射線等難題，以及由于X 射線的散射，可能會導致重構圖像出現偽影而影響圖像的質量和精確度。

3 TEM 原位觀測

除了X-CT 原位觀測技術，還有一種高分辨率原位觀測技術為TEM 原位測試。TEM 原位測試可以實現試樣的原子尺寸表征，并且能實時地把SiCf/SiC 復合材料微觀結構演變與其力學性能響應緊密聯系起來，能夠觀測到試樣的相變、內部組織形貌對于不同外部激勵信號的動態(tài)響應過程，獲得試樣變形和斷裂過程的詳細信息，還可以對試樣進行原位電子衍射分析[40-43]。TEM 原位測試裝置如圖7 所示[44]。

圖 7 TEM 原位試驗裝置Fig.7 TEM in-situ experimental equipment

Shibayama 等[45]采用納米力學TEM 原位分析技術成功地對SiCf/SiC 復合材料小型化雙切口剪切(DNS)試樣進行斷裂行為研究：發(fā)現納米尺度的裂紋萌生于SiC 纖維上的C 涂層與SiC 基體界面處，主裂紋沿著靠近載荷點的切口根部擴展，而且裂紋總是沿著SiC 纖維上的C 涂層和SiC 基體界面不斷擴展至其最終斷裂失效；Kwon 等[46]利用TEM 原位觀測研究在550 ℃下Ni 膜在6HSiC 襯底上的反應和碳行為，發(fā)現在550 ℃下Ni和SiC 的反應過程中形成Ni31Si12相，SiC 分解的C 在Ni 硅化物層的外表面上以石墨形式存在。

采用TEM 原位試樣桿測試SiCf/SiC 復合材料的形變，試樣為2 mm×3 mm×100 μm 的小尺寸[45]。由于SiCf/SiC 復合材料脆性大，硬度大，組成復雜等特性，加工成TEM 原位測試所需尺寸難度比SEM 原位觀測大、周期長和成本高。目前，采用切片法制備TEM 原位測試試樣[45,47]：首先利用金剛石砂輪機將SiCf/SiC 復合材料切割成薄片（2 mm×3 mm×400 μm），再研磨減薄，至厚度達到100 μm 以下，再用拋光液對每一面進行拋光處理，即完成TEM 原位測試樣品的制備。該方法制備的試樣完整度高，易于觀測，但制備過程繁瑣，研磨減薄過程中易造成薄片的破碎。另一種制樣方法是利用聚焦離子束(FIB)微納切削技術對已選區(qū)域進行塊體取樣，使用精密三維機械臂提取出試樣，并將其固定在搭載力與位移傳感器的實驗臺上，通過驅動裝置使載臺運動，從而實現對試樣的形變，同時采集相應的信息[48]；該方法制樣成功率高，但離子束切割效率較低。由于TEM 原位測試存在上述的制樣難題，因此采用TEM 原位觀測SiCf/SiC 復合材料裂紋萌生和擴展方面的研究目前還鮮有報道。

4 結語與展望

1）原位觀測技術可以實時記錄SiCf/SiC 復合材料微損傷的動態(tài)演變過程以及實時跟蹤繪制測試過程中的位移-載荷曲線，有助于研究SiCf/SiC 復合材料裂紋的萌生位置與擴展路徑、復雜的微觀結構變化特征以及結構-性能之間的密切關系。

2）目前，常用的原位分析技術有SEM 原位觀測、X-CT 原位觀測和TEM 原位觀測3 種方法，XCT 原位觀測方法在制樣方面均優(yōu)于SEM 原位觀測和TEM 原位觀測，而SEM 原位觀測對試樣的表面粗糙度要求較低。另外，X-CT 原位觀測方法可獲得SiCf/SiC 復合材料三維結構及內部損傷變化在不同載荷作用下的特征信息，而SEM 原位觀測方法只能得到觀測材料表面損傷變化特征信息，TEM 原位觀測方法可獲得材料相變、內部組織形貌特征信息。但SEM 與TEM 原位觀測方法有待解決的問題是加載裝置的小型化及精度、穩(wěn)定性和加熱平臺的靈敏性，而X-CT 原位觀測則存在加載裝置遮擋X 射線及圖像的重構問題。

3）SiCf/SiC 復合材料在室溫和高溫下原位測試纖維-界面-基體隨著載荷的作用微觀結構的演變所表現出的宏觀響應、損傷變化以及根據裂紋長度、寬度信息預測材料壽命等還有待進一步的深入研究。從長遠來看，采用SR-CT 原位分析技術研究SiCf/SiC 復合材料的動態(tài)損傷是未來的主要發(fā)展方向，將在未來的材料領域研究其微觀結構-性能之間的密切關系、開裂應力、裂紋萌生位置等方面發(fā)揮重要的作用。