纤维氧化处理对SiCsf/SiC复合材料力学性能的影响

薛海峰 陈涵 陈诚 郭露村

(南京工业大学材料科学与工程学院，江苏南京210009)

纤维氧化处理对SiCsf/SiC复合材料力学性能的影响

薛海峰 陈涵 陈诚 郭露村

(南京工业大学材料科学与工程学院，江苏南京210009)

以Y2O3、Al2O3为烧结助剂，采用无压烧结法制备短碳化硅纤维（2～4mm）增强碳化硅(Short SiC fiber reinforced SiC composite, SiCsf/SiC)复合材料，研究了纤维氧化处理对SiCsf/SiC复合材料结构及力学性能的影响。采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)以及力学性能试验机对材料进行结构表征和力学性能测试。结果表明：纤维氧化处理后，复合材料的弯曲强度和断裂韧性均有大幅提高。当纤维含量达到5wt%时，复合材料断裂韧性为5.41MPa·m1/2，与原始纤维增强SiC样品相比，提高了6.5%；与无纤维增强SiC样品相比，提高了27%。扫描电镜显示纤维氧化处理后，纤维与基体结合紧密。

SiCsf/SiC复合材料,无压烧结,力学性能,氧化处理

1 前言

SiC陶瓷具有高强度、耐腐蚀、耐磨损、高硬度等优良性能，是工程应用中最有前景的高温结构陶瓷材料之一[1]。由于SiC陶瓷断裂韧性较低，大大限制了其应用范围。为了提高韧性，在基体中添加增强相是目前广泛采用的方法。碳化硅基复合材料中常用的增强相主要有颗粒弥散增韧、晶须增韧以及纤维增韧。研究表明，通过纤维增韧使SiC陶瓷韧性得到显著提高[2]。

纤维增韧主要有连续纤维增韧和短纤维增韧。关于连续SiC纤维增韧SiC复合材料的研究十分广泛，并且取得了很多成果[3-6]。而短SiC纤维增韧SiC复合材料的研究报道较少[7，8]。由于工艺简便，设备简单及制备成本低，SiCsf/SiC复合材料得到了广泛的应用[9]。

Jae-Seol Lee等人采用热压烧结法制备了致密的SiCsf/SiC复合材料[7，8]。本研究采用无压烧结法制备SiCsf/SiC复合材料，通过对纤维氧化处理来改善纤维与基体界面性能，研究了纤维氧化预处理对SiCsf/SiC复合材料的力学性能及结构的影响。

2 实验

2.1 材料制备

实验原料：SiC微粉（山东鑫源有限公司），平均粒径0.45μm；烧结助剂：Y2O3粉（宜兴新威利成稀土有限公司），平均粒径0.51μm；Al2O3粉（浙江超微细化工有限公司），平均粒径0.03μm；SiC纤维（苏州赛力菲陶纤有限公司）直径为5～16μm，将连续纤维剪切成长度2～4mm的短纤维。

纤维处理方法为：使纤维在空气气氛中，1300℃下氧化处理1h。

将SiC、Al2O3和Y2O3按80∶11∶9（质量比）配料，置于球磨灌中，加入无水乙醇作为球磨介质，球磨8h；之后将纤维加入到无水乙醇中，超声分散30min，再将分散完的溶液加入到SiC料浆中，继续球磨1.5h；将分散均匀的浆料放到80℃烘箱中烘干，然后将烘干的料研磨、造粒、干压成型，再使坯体在300MPa下冷等静压。最后将坯体在流动的Ar气氛下烧结，烧结温度1900℃，保温2h。

2.2 结构与性能表征

根据Archimeders原理采用排水法测定试样密度。采用三点弯曲法测定抗弯强度，试样尺寸为3mm×5mm×50mm，跨距30mm；断裂韧性通过单边切口梁法测定，试样尺寸为4mm×5mm×50mm，槽深2.5mm，跨距30mm，所用设备均为万能试验机，加荷速率为0.5mm/min。通过X射线衍射（XRD, λ=1.5406Å,ARLX’TRA，USA）来分析纤维和复合材料相组成。采用SEM(JSM-5900,JEOL,Japan)观察试样的表面和断口形貌。

3 结果与讨论

3.1 结构分析

图1为SiCsf/SiC复合材料样品及SiC原料的XRD图。从图中可以看出，材料中主要包含YAG (Y3Al5O12)、α-SiC和β-SiC三相。由Y2O3-Al2O3相图可知[10]，Y3Al5O12为低共熔相，最低共熔点在1760℃，因此复合材料的烧结机理为液相烧结。这有助于减小纤维架桥作用的影响，从而促进SiCsf/SiC复合材料的致密化。

图2为纤维的XRD图。从图中可以看出，纤维经过氧化处理之后，产生了明显的SiO2相。另外，SiC相衍射峰峰形变窄，峰强变高，这表明氧化处理后，纤维中的SiC相结晶逐渐完全。根据李效东[11]等人的研究，纤维在空气中1300℃长时间暴露后机械性能衰减较小。

3.2 纤维氧化处理对复合材料力学性能的影响

图4为SiCsf/SiC复合材料显气孔率关系曲线。由图可知，与复合材料A（原始纤维增强复合材料）相比，当纤维含量≤5wt%时，复合材料B（氧化处理纤维增强复合材料）显气孔率稍有降低；当纤维含量＞5wt%时，复合材料B显气孔率显著降低。这表明：纤维经氧化处理有利于复合材料的致密化，尤其在纤维含量较多时表现的更为明显。因为纤维经氧化处理之后，纤维表面产生一层SiO2氧化层，烧结过程中，纤维表面SiO2与Al2O3、Y2O3低共熔生成液相[13]，增加了纤维表面附近的液相量，有利于减少纤维表面附近的气孔，促进材料的致密化。另外，从图中还可以看出，随着纤维含量的增加，复合材料的显气孔率均逐渐增加。这是因为纤维的架桥作用在一定程度上阻碍了材料的致密化。当纤维含量增加到一定量时，纤维之间互相搭架，抑制扩散，阻碍基体包裹纤维和填充纤维之间的空隙[14]。

图5为SiCsf/SiC复合材料弯曲强度关系曲线。如图所示，复合材料B的弯曲强度在不同纤维含量下均高于复合材料A。在纤维增韧陶瓷基复合材料中，纤维对于复合材料弯曲强度主要有两方面的影响：(1)纤维起到很好的桥联效应，增加复合材料的强度；(2)纤维相互桥接成骨架在一定程度上阻碍了材料的致密化，从而降低材料的强度[14]。当纤维经氧化处理后，提高了材料的致密度，使纤维与基体结合紧密，从而在复合材料中起到了一定的传递载荷的作用，因此复合材料B的弯曲强度高于复合材料A。另外，图中还显示随着纤维含量的增加，复合材料弯曲强度均有所降低。这是因为加入SiC纤维之后，纤维的架桥作用在一定程度上阻碍了材料的致密化，降低了复合材料的致密度，从而使得复合材料的弯曲强度有所降低[15，16]。

图6为SiCsf/SiC复合材料断裂韧性关系曲线。如图所示，复合材料B的断裂韧性高于复合材料A。当纤维含量为5wt%时，断裂韧性最高，为5.41MPa·m1/2，与复合材料A相比，断裂韧性提高了6.5%。这主要是因为纤维氧化处理后与基体结合紧密，纤维拔出吸收能量有利于复合材料韧性的提高[17]。

此外，从图6中还可以看出，断裂韧性呈先增大后减小的趋势。当纤维含量达到5wt%时，比无纤维SiC样品提高了27%。这说明SiC纤维的加入对SiC材料起到了一定增韧作用。然而，纤维含量较多时会相互桥接成骨架，使基体不能很好包裹纤维及填充纤维之间的空隙，从而产生气孔，而气孔对于复合材料的韧性提高不利[12]。所以，当纤维含量＞5wt%时，材料断裂韧性迅速下降，此时，气孔对复合材料断裂韧性的负面影响起主要作用。

纤维提高陶瓷复合材料韧性的可能机理有：纤维拔出、纤维断裂及裂纹偏转[17]。图7为复合材料断口形貌图。从图中可以看出，断口处有明显的纤维断裂。从图3中可以看出断口处有部分纤维拔出。可见，纤维拔出及纤维断裂是SiCsf/SiC复合材料的主要增韧机制。

4 结论

（1）以Y2O3,Al2O3为烧结助剂，采用无压烧结法，通过纤维氧化处理工艺成功制备了致密的SiCsf/SiC复合材料。

（2）纤维氧化处理后，SiO2与Y2O3、Al2O3低共熔生成更多液相，填补纤维与基体之间的空隙，使纤维与基体紧密结合。

（3）纤维经氧化处理后，复合材料的弯曲强度和断裂韧性均有所提高。当纤维含量为5wt%时，与复合材料A相比，断裂韧性提高了6.5%。复合材料断裂韧性呈先增大后减小的的趋势。当纤维含量达到5wt%时，断裂韧性最高，为5.41MPa·m1/2，与无纤维SiC样品相比提高了27%。

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2张长瑞,郝元恺.陶瓷基复合材料--原理、工艺、性能与设计,第1版.长沙:国防科技大学出版社,2001

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Abstract

SiCsf/SiC(Short SiC fiber reinforced SiC)composites were fabricated by pressless sintering with Y2O3and Al2O3as the additives.The effect of oxidation treatment of SiC fibers on the microstructure and mechanical properties were investigated by X-ray diffraction (XRD),scanning electron microscopy (SEM)and the measurement of fracture strength and fracture toughness.The results show that after oxidation treatment,the fracture strength and fracture toughness of the composites increased.Composites with 5wt% treated SiC fibers obtained the highest fracture toughness,5.41MPa·m1/2,which is an increase of 6.5%compared with those with untreated fiber reinforced SiC,a further increase of 27%over those monolithic SiC samples.The combination of fiber and matrix is found to be compact by SEM photographs.

Keywords SiCsf/SiC composites,pressless sintering,mechanical property,oxidation treatment

EFFECTS OF OXIDATION TREATMENT OF SiC FIBERS ON MECHANICAL PROPERTIES OF COMPOSITE SiCsf/SiC

Xue Haifeng Chen Han Chen Cheng Guo Lucun
(College of Materials Science and Engineering,Nanjing University of Technology,Nanjing Jiangsu 210009,China)

TQ174.75

A

1000-2278（2011）01-0006-05

2010-09-25

江苏省科技支撑计划（编号：BE2009169）

郭露村，E-mail:lc-guo@163.com