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扫描电镜在陶瓷基复合材料中的应用

来源：复纳科学仪器（上海）有限公司分类：动态 2023-10-13 10:50:36 82阅读次数

复合材料根据其基材不同可以分为三类：聚合物基复合材料（Polymer Matrix Composite, PMC），金属基复合材料（Metal Matrix Composite, MMC）和连续纤维增韧陶瓷基复合材料（Ceramic Matrix Composite, CMC）。因为具有优异的综合性能，复合材料在各行业广受青睐，如热固性塑料和碳纤维增强聚合物基复合材料在航空航天领域便有广泛的应用。

陶瓷是一种传统材料，具有许多优异的性能，如高硬度、高耐磨、高耐高温性、重量轻等，但由于强度、韧性较差，在一些行业的应用受限。CMC（连续纤维增韧陶瓷基复合材料）是近十余年才开始较大范围使用的新材料，其能够克服传统陶瓷的疲劳特性问题，同时利用陶瓷基复合材料固有的耐高温、高硬度性能，在汽车工业、航空航天等领域有很大的应用潜力。

C/C-SiC 刹车制

图1

CMC 材料可以从根本上克服陶瓷脆性，是陶瓷基复合材料发展的主流方向，根据复合材料组成不同，可以分为玻璃基、氧化物基和非氧化物基材料，工作温度依次升高，其分别具有低成本、抗氧化和高性能的优点。

CMC-SiC（连续纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料）是目前研究最多、应用最成功和最广泛的陶瓷基复合材料, 其具有材料结构一体化和多尺度的结构特征，通过各结构单元的优化设计，产生协同效应，以达到高性能和各性能的合理匹配。

CMC-SiC 纤维结构图

图2

CMC-SiC 中纤维单丝表面的均匀纳米尺度界面层是实现材料强韧化的关键，构成了连续纤维增韧陶瓷基复合材料特有的力学性能特征，使 CMC-SiC具有类似金属的断裂行为，对裂纹不敏感，不发生灾难性损耗。

CMC-SiC 材料中的裂纹偏转现象

图3

CMC-SiC 常用在高推重比航空发动机的喷嘴和燃烧室，可显著减重，提高推力室压力和寿命，同时减少冷却剂量，实现结构的小型化和轻量化。CMC-SiC 的高温力学性能优异，氧化物的抗环境腐蚀性能更好，因此，SiC 材料是耐高温 CMC 基体的基本组成，而氧化物是长寿命 CMC-SiC 的抗环境涂层的有效成分。利用飞纳扫描电镜 EDS 成分分析可以对 CMC 中微区的成分进行研究，分析不同的组成体系对其性能的影响。

CMC-SiC 中不同区域成分分析

图4

CMC-SiC 中基体和纤维都是 SiC 材料，二者热膨胀系数匹配，热应力很小，物理相容性、化学相容性好。但由于两者均为 SiC 陶瓷，二者间存在较强的互扩散作用，导致纤维和基体间结合力过强，不能充分发挥纤维的增韧作用。因此，应用中常在纤维-基材间设计一层界面层以提高复合材料的断裂韧性。常见的界面层材料为 PyC（裂解碳）层和 BN 层，其与基材和纤维热膨胀系数匹配、有效传递载荷、增强复合材料韧性。如下图所示为 CMC-SiC 中的界面层观察，在离子研磨后，利用飞纳（Phenom）台式扫描电镜可以清楚的观察到界面层的存在并测量其厚度。

CMC-SiC 中的界面层观察