Acta Mater.：陶瓷基復合材料微觀結構的3D可視化觀察

【引言】

纖維增強陶瓷基復合材料（CMCs）廣泛應用于航空燃氣渦輪發動機的高溫部件，其中SiC纖維增強體受到了科學家們的高度關注。與傳統材料所用的高溫合金相比，碳化硅復合材料的質量密度只有其三分之一左右，但卻能夠承受高達100-200℃的高溫持續載荷。近日，有學者通過原位X射線計算機斷層掃描（XCT），以三維方式揭示SiC基陶瓷先驅體聚合物在1200℃下熱解過程中基體結構的演變，為基于物理模型來指導復合材料制造工藝的發展奠定了基礎。

【成果簡介】

近日，加州大學Natalie M. Larson (通訊作者)團隊在Acta Mater.上發布了一篇關于陶瓷基復合材料的文章，題為“In-situ 3D visualization of composite microstructure during polymer-to-ceramic conversion”。作者通過原位X射線計算機斷層掃描（XCT），以三維方式揭示SiC基陶瓷先驅體聚合物在1200℃熱解過程中基體結構的演變，并觀察裂紋幾何形狀和結構，確定其形成的時間順序。此外，作者還介紹了溫度和局部幾何形狀對各種裂紋形成的影響。

【圖片導讀】

圖1 聚合物向陶瓷轉化的特點

(A) 熱解實驗的溫度分布；

(B) 陶瓷先驅體聚合物質量密度的變化;

(C) 用m / zm / z值標記后的質譜分析結果；

(D) 質量的變化；

(E) 體積屈服的變化；

(F) 楊氏模量的變化。

圖2 樣品選擇區域的三維體積渲染圖

(A) 332℃熱解； ? ? ? ? (B) 519℃熱解; ? ? ? ? ? (C) 熱解完成。

圖3 波浪式裂紋的結構演變示意圖

(A-B) 三維XCT渲染與原始XCT圖像的縱向互補部分。

圖4 圍繞式裂紋的結構演變示意圖

(A-D) 裂紋結構的三維效果圖；

(E) 原始XCT圖像橫截面的2D效果圖;

(F-I) (A)至(D)中圖像對應溫度下裂紋的縱向截面。

圖5 熱解裂紋結構的時間演化圖

(A) 交替/波浪式裂紋結構的演變；

(B) 圍繞式裂紋結構的演變;

(C) 裂縫演化樹說明潛在的時間序列。

圖6 裂縫識別和測量的工藝流程圖

(A) 確定初始裂紋及裂紋類型；

(B) 確定裂紋形成溫度;

(C) 通過在完全熱解之后檢查圖像堆疊中的相同區域來確定FHO。

圖7 裂紋形成溫度與裂紋面積的關系

(A) 交替/波浪式裂縫(紫色開放的圓圈，紫色的線條)和模擬的裂縫(橙色的三角形，橙色的線條)的數據；

(B-C) (A)中的主要裂紋類型和FHO（紫色圓圈代表FHO = 1，綠色三角形代表FHO = 2，藍色方塊代表FHO = 3，橙色菱形代表FHO = 4）中的數據。

圖8 熱解裂紋的特征長度尺度

(A) 交替/波浪式裂縫的半波長；

(B) 初始裂紋的縱向間距。

【小結】

這篇文章介紹了使用原位X射線計算機斷層掃描（XCT）來確定裂紋結構的性質及SiC基陶瓷先驅體聚合物在熱解過程中的演變。三維成像可以更好的確定裂紋的真實性質，而2D圖像則容易導致裂紋成核位置以及裂縫幾何形狀和拓撲結構的錯誤。

研究結果表明，初始裂紋形成溫度會逐漸降低，最終的等級次序隨著局部基質區域尺寸的增大而增加。對于低于350℃的初始裂紋，在較小的通道內形成交替式裂縫，而不是較小的裂縫。確定裂紋幾何形狀的簡單吸液模型可以簡化隨后浸漬過程的優化或者用于確定最佳的收縮裂縫幾何形狀。此外，研究結果為描述纖維床內熱解裂解的力學框架提供了基礎。

文獻鏈接：http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645417309138 (Acta Mater., 31 October, 2017 , DOI: 10.1016/j.actamat.2017.10.054）

本文由材料人編輯部金屬學術組jcfxs01供稿，材料牛編輯整理。

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