Mater. Sci. Eng., A.：三維針狀C/SiC復合材料的改善與強韌化——可變形MAX相的buff增益

【引言】

由于其密度低、強度高、熱穩定性高、抗氧化性好，碳纖維增強SiC基復合材料（C/SiC）是熱結構材料中最有希望的候選材料之一。目前，化學氣相滲透（CVI）技術是一種最有效的制造工藝。然而，用此方法制備出的材料，殘余孔隙率與原始纖維預制棒上的孔隙尺寸分布有關，這對于三維針狀碳纖維增強SiC基復合材料（3DN C/SiC）是十分不利的。致密率可以通過反應性熔體滲透（RMI）技術得到提高，但是用RMI處理后，其彎曲強度和斷裂韌性通常低于用CVI處理的C/SiC。根據之前的研究，用RMI將MAX相引入到3DN C/SiC中，可以解決致密化后材料韌性可能降低的問題。MAX相是一種既具有高損傷容限又具有內部弱金屬鍵的納米層狀材料，在變形過程中有很高的可塑性，能夠提高陶瓷基復合材料的強度和韌性。

【成果簡介】

近日，西北工業大學殷小瑋(通訊作者)在Materials Science and Engineering: A.上發表了題為“Modification and Toughening of 3D needled C/SiC composite by deformable MAX phase-based matrix”的文章。本文使用3DN C/SiC預制棒的短切纖維層，結合漿料浸漬（SI）和反應性熔體浸潤（RMI）工藝，原位生成了MAX相基的基體。通過控制制造工藝，調整基體中MAX相與脆性相的比例。研究發現，隨著MAX相含量的增加，界面薄弱的“強”MAX相的優勢逐漸顯現。MAX相的變化不僅豐富了強韌化機理，還提升了3DN C/SiC的承載結構。本文重點研究了復合材料的微觀結構和相分布，揭示了復合材料的強韌化機理。

【圖文導讀】

表1 四個樣品的成分

圖1 3DN纖維預制棒的制備示意圖

圖2 四個樣品的XRD圖譜

圖3 3DN C/SiC預制棒的典型截面形貌

（a）A型；A型微觀結構是非針狀化區域，其中無紡布和短切纖維網被反復堆疊。

（b）B型；B型微觀結構對應于針狀化區域，針狀化區域稀疏分布。

解讀：在纖維密度高的區域，閉合的微孔通常分布在單向纖維層和針狀區域內。在纖維含量低的區域，短切纖維網中存在大孔隙。

圖4 復合材料的纖維有效承載強度與參考文獻的對比

解讀：在改良前，3DN中的C/SiC和2D C/SiC纖維的有效承載強度相差不大，但在改良后，3DN中的C/SiC纖維的有效承載力明顯高于2D結構復合材料，這說明致密后的短切纖維網層對3DN結構材料的承載能力有很大的影響。

圖5 四個樣品的斷裂面照片

（a）（b）S0的斷裂面照片。

（c）S1的斷裂面照片。

（d）S2的斷裂面照片。

（e）S3的斷裂面照片。

圖6 樣品S3的斷口照片

（a）樣品S3的斷裂形貌。

（b）樣品S3橫截面上的裂紋擴展。

圖7 樣品3的裂口微觀形貌照片

（a，b）3DN C/SiC-Ti₃SiAlC₂中Ti₃Si(Al)C₂的變形機制。

（c）Ti₃Si(Al)C₂顆粒周圍的裂紋擴展

（d）Ti₃Si(Al)C₂基體中的微裂紋擴展

圖8 改良后3DN C/SiC復合材料和基體中的裂紋擴展示意圖

解讀：在晶格大小范圍內，具有薄弱界面的Ti₃Si(Al)C₂可以起到強韌化材料的作用。在晶粒尺度范圍內，改變Ti₃Si(Al)C₂在基體中的含量可以提高基體的開裂應力。Ti₃Si(Al)C₂改良后可以改善SDN材料的承載結構與承載能力。

【小結】

本研究采用了漿液滲透和反應熔體滲透相結合的方法，在3DN C/SiC預制棒中引入了MAX相基的基體。由于Ti₃Si(Al)C₂基體具有較高的損傷容限，在3DN C/SiC中原位生成15％（體積分數）的Ti₃Si(Al)C₂后，力學性能得到明顯提高，其彎曲強度和斷裂韌性分別為440±17 MPa和15.9±1.4 MPa·m^1/2。3DN C/SiC的孔隙率高，具有承載能力低的短切纖維網，其承載結構是由一個薄弱層夾著三個強層，而具有“弱”界面改性的高損傷容限MAX相可以改善短切纖維網，將承載結構改為一個弱層夾在三個強層中，豐富了對材料的韌化機制，從而顯著改善了材料的承載能力。

文獻鏈接：Modification and Toughening of 3D needled C/SiC composite by deformable MAX phase-based matrix（Mater. Sci. Eng., A,2017,DOI: 10.1016/j.msea.2017.11.110）

本文由材料人編輯部新人組歐儀編輯，萬鑫浩審核，點我加入材料人編輯部。

材料測試，數據分析，上測試谷!