掃描電鏡在陶瓷基復(fù)合材料中的應(yīng)用

來源：復(fù)納科學(xué)儀器（上海）有限公司      分類：商機 2023-10-13 10:50:36 101閱讀次數(shù)

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復(fù)合材料根據(jù)其基材不同可以分為三類：聚合物基復(fù)合材料（Polymer Matrix Composite, PMC），金屬基復(fù)合材料（Metal Matrix Composite, MMC）和連續(xù)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料（Ceramic Matrix Composite, CMC）。因為具有優(yōu)異的綜合性能，復(fù)合材料在各行業(yè)廣受青睞，如熱固性塑料和碳纖維增強聚合物基復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域便有廣泛的應(yīng)用。

陶瓷是一種傳統(tǒng)材料，具有許多優(yōu)異的性能，如高硬度、高耐磨、高耐高溫性、重量輕等，但由于強度、韌性較差，在一些行業(yè)的應(yīng)用受限。CMC（連續(xù)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料）是近十余年才開始較大范圍使用的新材料，其能夠克服傳統(tǒng)陶瓷的疲勞特性問題，同時利用陶瓷基復(fù)合材料固有的耐高溫、高硬度性能，在汽車工業(yè)、航空航天等領(lǐng)域有很大的應(yīng)用潛力。

 C/C-SiC 剎車制 

圖1

CMC 材料可以從根本上克服陶瓷脆性，是陶瓷基復(fù)合材料發(fā)展的主流方向，根據(jù)復(fù)合材料組成不同，可以分為玻璃基、氧化物基和非氧化物基材料，工作溫度依次升高，其分別具有低成本、抗氧化和高性能的優(yōu)點。

CMC-SiC（連續(xù)纖維增韌碳化硅陶瓷基復(fù)合材料）是目前研究Z多、應(yīng)用Z成功和Z廣泛的陶瓷基復(fù)合材料, 其具有材料結(jié)構(gòu)一體化和多尺度的結(jié)構(gòu)特征，通過各結(jié)構(gòu)單元的優(yōu)化設(shè)計，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，以達到高性能和各性能的合理匹配。

CMC-SiC 纖維結(jié)構(gòu)圖

圖2

CMC-SiC 中纖維單絲表面的均勻納米尺度界面層是實現(xiàn)材料強韌化的關(guān)鍵，構(gòu)成了連續(xù)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料特有的力學(xué)性能特征，使 CMC-SiC具有類似金屬的斷裂行為，對裂紋不敏感，不發(fā)生災(zāi)難性損耗。

CMC-SiC 材料中的裂紋偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象

圖3

CMC-SiC 常用在高推重比航空發(fā)動機的噴嘴和燃燒室，可顯著減重，提高推力室壓力和壽命，同時減少冷卻劑量，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的小型化和輕量化。CMC-SiC 的高溫力學(xué)性能優(yōu)異，氧化物的抗環(huán)境腐蝕性能更好，因此，SiC 材料是耐高溫 CMC 基體的基本組成，而氧化物是長壽命 CMC-SiC 的抗環(huán)境涂層的有效成分。利用飛納掃描電鏡 EDS 成分分析可以對 CMC 中微區(qū)的成分進行研究，分析不同的組成體系對其性能的影響。

CMC-SiC 中不同區(qū)域成分分析

圖4

CMC-SiC 中基體和纖維都是 SiC 材料，二者熱膨脹系數(shù)匹配，熱應(yīng)力很小，物理相容性、化學(xué)相容性好。但由于兩者均為 SiC 陶瓷，二者間存在較強的互擴散作用，導(dǎo)致纖維和基體間結(jié)合力過強，不能充分發(fā)揮纖維的增韌作用。因此，應(yīng)用中常在纖維-基材間設(shè)計一層界面層以提高復(fù)合材料的斷裂韌性。常見的界面層材料為 PyC（裂解碳）層和 BN 層，其與基材和纖維熱膨脹系數(shù)匹配、有效傳遞載荷、增強復(fù)合材料韌性。如下圖所示為 CMC-SiC 中的界面層觀察，在離子研磨后，利用飛納（Phenom）臺式掃描電鏡可以清楚的觀察到界面層的存在并測量其厚度。

CMC-SiC 中的界面層觀察

圖5

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