中南大学《Ceramics International》：SiCf/SiC复合材料的氮化硼和氮化硼基多层界面相的研究进展

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发布时间：2022-11-08 14:04
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2022年7月8日，中南大学李杨课题组等在《Ceramics International》上发表题为Boron nitride (BN) and BN based multiple-layer interphase for SiCf/SiC composites: A review（SiCf/SiC复合材料的氮化硼和氮化硼基多层界面相的研究进展）的文章，综述了不同制备方法对氮化硼界面相微观结构、晶体结构和厚度的影响。

文章来源：

//doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.07.021

文章简介

在连续SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料(SiCf/SiC)中，界面相通常在载荷传递、界面剥离和纤维保护等方面起着关键作用，从而决定了复合材料的力学性能、热力学稳定性和耐蚀性。六方氮化硼(h-BN)具有石墨状的层状结构，比热解碳(PyC)具有更好的抗氧化性，是SiCf/SiC复合材料的最佳选择之一。本文综述了不同制备方法对氮化硼界面相微观结构、晶体结构和厚度的影响。重点介绍了基于CVI(或CVD)法制备BN及BN基多层界面相的研究进展。综述了不同制备方法对SiCf/SiC复合材料力学性能和热性能的影响以及改善BN晶体有序度的方法。展望了硼化氮界面相制备方法优化和微观结构优化的发展方向。

研究背景

纤维增强陶瓷基复合材料(CMCs)是一种一般以纤维(碳纤维、碳化硅纤维和氧化物纤维等)为增强体，陶瓷(碳化物、氮化物、氧化物等)为基体的复合材料，具有高比强度、高可靠性、耐高温等优点。碳化硅纤维(SiCf)增强SiC复合材料(SiCf /SiC)以其优异的高温力学性能、热稳定性、抗氧化和耐腐蚀性能，作为航空发动机、燃气轮机和核反应堆等热结构截面具有广阔的应用前景。当陶瓷基复合材料暴露在外加载荷下时，纤维拉出、裂纹桥接、界面脱粘和纤维断裂时常发生。这些事件使基体裂纹发生微偏转，传递载荷，松弛残余应力，从而增加陶瓷的韧性。纤维拔出是指裂纹尖端附近的纤维在外加应力作用下沿界面滑移的现象。通常情况下，显著的纤维拉出效应会提高复合材料的韧性。复合材料中纤维的拔出主要受纤维强度的影响界面相的微观结构和基体表面的状态。纤维/基体界面的界面相可以允许应力从基体转移到纤维，从而调整复合材料的力学性能。由于六方结构界面相材料中界面相与基体(或纤维)之间的键合较弱，且层方向与纤维方向平行，因此具有片层结构，常用于复合材料中，并能有效传递机械载荷。目前常用的SiCf /SiC复合材料间相材料有两种:热解碳(PyC)和氮化硼(BN，主要指六方氮化硼，即h-BN)。PyC和h-BN界面相都具有层状晶体结构。PyC是一种较为成熟的界面相材料，被认为是提高SiC /SiC复合材料韧性的最佳界面相。然而，PyC在400℃以上的空气中很容易被氧化，这将导致SiCf /SiC复合材料的力学性能显著下降。h-BN具有类似的层状结构，但热稳定性和抗氧化性较PyC明显提高。以往的研究表明，氮化氮界面相在900℃左右的氧气中会被氧化，如果使用氮化氮基多层界面相，可进一步提高抗氧化性。因此，以BN为基础多层界面相被认为是制备长时间抗氧化SiCf /SiC复合材料最有潜力的界面相体系。目前，SiCf /SiC复合材料中氮化氮和氮化氮基多层界面相的制备方法主要有聚合物浸渍热解(PIP)、化学气相渗透(CVI)和浸渍三种制备方法。上述制备工艺是根据SiCf /SiC复合材料的不同使用要求选择的。本文综述了不同制备方法制备的氮化硼及氮化硼基多层界面相的组织和结晶对SiCf /SiC复合材料力学性能和热性能的影响。

研究内容解读

图1氮化硼的四种不同晶体结构: : (a) h-BN; (b) w-BN; (c) r-BN; (d) c-BN; (e) a-BN。

图2 SiCf /SiC复合材料断口形貌的SEM图:(a)无界面相，(b和c)有界面相。

图3 BN界面相剥落的SiC纤维表面形貌。

图29单根光纤推通试验顺序示意图:(a)光纤承载，(b)光纤滑过，(c)矩阵承载。

图30 SiCf/SiC复合材料在单纤维推通试验后的压痕载荷-位移曲线:(a)原始复合材料，(b)热处理复合材料。其中，X, Y, Z表示试验过程中的3个不同过程(X表示头部加载过程，Y表示加载过程中的界面剥离、裂纹挠曲和纤维抽提过程，Z表示最大加载后的卸载过程)。

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