Grenzflächeneigenschaften von SiCf/SiC-Minikompositen mit Scheelitbeschichtung

Oct 26, 2023

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 21950 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Ein unidirektionales SiCf/SiC-Minikomposit mit einer Zwischenphasenbeschichtung aus Scheelit (CaWO4) wurde durch die Vorläuferinfiltrations- und Pyrolysemethode hergestellt. Die Fraktographie der SiCf/SiC-Minikomposite zeigte, dass durch die CaWO4-Interphase eine schwache Faser/Matrix-Bindung bereitgestellt werden kann. Darüber hinaus wurde die Grenzflächenablösungsspannung des SiCf/CaWO4/SiC-Minikomposits durch den Faser-Push-Out-Test bewertet und auf 80,7 ± 4,6 MPa geschätzt. Es wurde eine In-situ-Zug-REM-Beobachtung von SiCf/CaWO4/SiC-Minikomposit nach Oxidation bei 1000–1100 °C durchgeführt und die thermische Kompatibilität zwischen CaWO4-Interphasenbeschichtung und SiC-Faser oder -Matrix nach Wärmebehandlung bei 1300 °C untersucht.

Der Einbau von Verstärkungsfasern in eine spröde Keramikmatrix verleiht Keramikmatrix-Verbundwerkstoffen (CMCs), typischerweise dem SiC-faserverstärkten SiC-Matrix-Verbundwerkstoff (SiCf/SiC), ein gewisses Maß an Pseudoduktilität und verhindert so ein katastrophales Versagen durch verschiedene Mechanismen, wie z. B. Faserablösung , Fasergleiten und Rissüberbrückung. SiCf/SiC-Verbundwerkstoffe gelten als vielversprechende, langlebige Materialien für Anwendungen in rauen Umgebungen wie Überschalltransport, Raumflugzeuge und Fusionsreaktoren1,2,3. Die Abweichung von Matrixrissen innerhalb der Faser-Matrix-Interphasenzone wird durch die Ablagerung einer Beschichtungsschicht aus einem nachgiebigen Material auf den Fasern vor der Matrixherstellung realisiert und kontrolliert4,5,6. Als wirksamste Zwischenphasenbeschichtung gilt die PyC- oder BN-Beschichtung7,8,9. Die Anwendung von SiCf/SiC-Verbundwerkstoffen ist jedoch durch die Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften in oxidierenden Umgebungen aufgrund der Oxidation der PyC- oder BN-Beschichtung an der Faser/Matrix-Grenzfläche, insbesondere bei Zwischentemperaturen, begrenzt4, 10.

Alternative oxidationsbeständige Zwischenphasenmaterialien wie Seltenerdorthophosphatmonazit (LaPO4) wurden aufgrund der geschichteten Kristallstruktur und der Möglichkeit einer plastischen Verformung als oxidationsbeständige Faser-Matrix-Interphasen für CMCs in Betracht gezogen. Studien an der LaPO4-Interphase zeigten, dass sie unter mechanischen Belastungen bei niedrigen Temperaturen durch Zwillingsbildung und Versetzung verformt werden kann11,12,13. Es wurde jedoch festgestellt, dass es mit SiC14, 15 thermodynamisch inkompatibel ist. Sowohl die Kompatibilität als auch die Oxidationsbeständigkeit sind für die Zwischenphasenbeschichtung wichtig, um die langfristige Anwendung von CMCs in Luft sicherzustellen. Shanmugham et al. zeigten, dass eine Mullit-Interphase in SiCf/SiC-Verbundwerkstoffen Risse abwehrte, selbst nachdem sie 24 Stunden lang Luft bei 1000 °C ausgesetzt waren16. Lee et al. demonstrierten die Verwendung mehrschichtiger SiO2/ZrO2/SiO2-Oxidbeschichtungen für SiC/SiC-Verbundwerkstoffe. Die Verbundfestigkeit und Rissverformung blieben nach 10-stündiger Oxidation an Luft bei 960 °C17 erhalten. Scheelit (CaWO4) hat eine Schichtstruktur, die aus (WO4)-Tetraedern und achtfach koordinierten Ca-Stellen besteht, und es wurde über die Spaltung seines Kristalls auf (101)-Ebenen berichtet. Die geschichtete Kristallstruktur und die Möglichkeit einer plastischen Verformung von Scheelit (CaWO4) machen es zu einem weiteren potenziellen Grenzflächenmaterial für SiCf/SiC-Verbundwerkstoffe18,19,20,21,22. Bisher wurden die Herstellung von Scheelitmaterialien als Grenzflächenbeschichtung in SiCf/SiC-Verbundwerkstoffen und die Untersuchung ihrer Wirkung noch nicht untersucht.

In dieser Arbeit wurde ein unidirektionales SiCf/CaWO4/SiC-Minikomposit durch die Vorläuferinfiltrations- und Pyrolysemethode (PIP) hergestellt. Die Wirksamkeit der CaWO4-Interphasenbeschichtung wurde durch den Vergleich der Fraktographie von SiCf/SiC-Verbundwerkstoffen mit und ohne CaWO4-Interphasenbeschichtung untersucht. Die Grenzflächeneigenschaft der Verbundwerkstoffe wurde durch Faser-Push-out-Tests quantitativ charakterisiert. Die SiCf/CaWO4/SiC-Verbundwerkstoffe wurden bei 1000–1100 °C oxidiert, um die Oxidationsbeständigkeit der CaWO4-Interphasenbeschichtung in sauerstoffreichen Umgebungen zu bewerten. Darüber hinaus wurden SiCf/CaWO4/SiC-Verbundwerkstoffe bei 1300 °C wärmebehandelt, um die Kompatibilität zwischen CaWO4-Interphasenbeschichtung und SiC-Faser oder -Matrix zu untersuchen.

Durch das Sol-Gel-Verfahren wurden kontinuierliche CaWO4-Interphasenbeschichtungen auf KD-II-SiC-Fasern (bereitgestellt von NUDT, China) hergestellt. Die Eigenschaft der Faser finden Sie in der Referenz23. Der detaillierte Beschichtungsprozess wurde in unserer vorherigen Arbeit19, 20 beschrieben. Die optimierte Brenntemperatur von 900 °C und die Ar-Atmosphäre wurden verwendet, um eine Verschlechterung der Faserfestigkeit während des Beschichtungsprozesses zu vermeiden. Die geeignete Beschichtungsdicke wurde durch Wiederholen des Beschichtungsvorbereitungsprozesses über 6 Zyklen erreicht.

Unidirektionale SiCf/SiC-Minikomposite mit und ohne CaWO4-Zwischenphasenbeschichtung wurden durch die Polymerinfiltrations- und Pyrolysemethode (PIP) hergestellt. Der schematische Aufbau des Minikomposits ist in Abb. 1 dargestellt.

Schematischer Aufbau des unidirektionalen SiCf/SiC-Minikomposits.

Das Flussdiagramm für die Herstellung von SiCf/SiC-Minikompositen ist in Abb. 2 dargestellt. Der PIP-Prozess nutzte Polycarbosilan (PCS), um durch Pyrolyse bei 1100 °C in Ar24 eine SiC-Matrix zu bilden. Die Keramikausbeute von PCS liegt bei etwa 81–85 %, die Kristallisationstemperatur liegt bei etwa 1000 °C. Die Wahl der Pyrolysetemperatur basierte auf dem Gleichgewicht zwischen maximaler Matrixverdichtung und minimalem Faserabbau. Für den Imprägnier- und Vernetzungsprozess wurden zunächst SiC-Fasern in den schlanken Tiegel getaucht, der PCS enthält. Anschließend wurde der Tiegel in den Vakuumtrockenofen überführt, um den Vakuumimprägnierungsprozess abzuschließen, wo kontinuierliches Pumpen eine ausreichendere Imprägnierung gewährleisten kann. Nach 2-stündigem Pumpen wurde der Vakuumtrockenofen langsam auf 130 °C erhitzt, um den Vakuumvernetzungs-Härtungsprozess abzuschließen. Darüber hinaus wurden die SiC-Nanopartikel (40 nm) mit einem Volumenanteil von 30–40 % in PCS gefüllt, um Schrumpfungsrisse der Matrix während der Pyrolyse zu reduzieren. Der Infiltrations- und Pyrolyseprozess wurde siebenmal wiederholt, um die Dichte der Minikomposite zu verbessern.

Flussdiagramm zur Herstellung von SiCf/SiC-Minikompositen.

Die Zusammensetzung von CaWO4-beschichteten SiC-Faserkabeln wurde durch Röntgendiffraktometrie (XRD, Ultimo IV, Riau, Japan) untersucht. Die Morphologie beschichteter SiC-Fasern und SiCf/SiC-Minikomposite wurde mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM, Inspect F50, FEI) untersucht, ausgestattet mit energiedispersiver Spektroskopie (EDS). Die Porosität und Dichte von SiCf/SiC-Minikompositen wurden mit der Entwässerungsmethode von Archimedes gemessen.

Die In-situ-REM-Beobachtung während der Zugversuche von SiCf/SiC-Verbundwerkstoffen wurde mit einem REM (Lyra3 GMU, Tescan, Tschechische Republik) in Kombination mit einem In-situ-Zugtisch (MTEST5000W, GATAN, UK) durchgeführt, um das Bruchverhalten von zu untersuchen die Verbundwerkstoffe. Die für In-situ-Tests verwendeten Verbundproben hatten eine Größe von etwa 1 × 2 × 15 mm, ihre Enden waren in Epoxidharz eingebettet, und die für die In-situ-Beobachtung genutzte Fläche betrug etwa 2 × 4 mm. Die Proben wurden zunächst mit Gold besprüht (10 mA, 15 s, Goldfilmdicke ca. 2 nm), um die elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen, bevor sie in das REM gelegt wurden, und dann wurden die Proben auf der Zugtischhalterung fixiert (Abb. 3). Beim In-situ-Zugversuch verwendete der Tisch einen Verschiebungskontrollmodus, dh die Motorbelastungsrate betrug 0,1 mm/min bis zum Bruch. Die SEM-Bildgebung wurde mit einem Rückstreuelektronendetektor mit einem Arbeitsabstand von 30 mm, einer Spannung von 10 kV und einem Strahlstrom von 1 nA durchgeführt. Es wurde ein automatisches Bildaufnahmemodul mit einer Einzelbildaufnahmezeit von etwa 3,2 s und einem Intervall von 0 s eingesetzt. Die für die In-situ-Beobachtung gewählte Vergrößerung war gering, wodurch sichergestellt werden kann, dass sich die Probe während des Zugvorgangs immer im Sichtfeld befand. Nach dem Bruch der Probe wurden mit dem REM noch mehrere Fotos aufgenommen, um sicherzustellen, dass der gesamte Dehnungsprozess beobachtet werden kann.

In-situ-Zug-REM-Beobachtung eines SiCf/SiC-Minikomposits: (a) Probe und (b) Zugplattform.

Um die Grenzflächeneigenschaft von SiCf/SiC-Minikompositen quantitativ zu charakterisieren, wurden Einzelfaser-Push-out-Tests durchgeführt. Die Minikomposite wurden zunächst auf 100–300 μm geschliffen und poliert, anschließend wurde die Scheibe mit einer Rille an der Graphitplatte befestigt. Es wurde berichtet, dass die Dicke des Verbundwerkstoffs keinen Einfluss auf die Schätzung der Grenzflächen-Debonding-Spannung hat25. Schließlich wurde die G200-Nano-Einkerbung von Agilent Technologies verwendet, um die einzelne Faser in den Verbundwerkstoffen zu drücken. Die maximale Belastung beträgt 1000 mN.

Um die potenzielle Leistung der CaWO4-Interphase in einer Hochtemperatur-Oxidationsumgebung zu bewerten, wurden die SiCf/CaWO4/SiC-Minikomposite bei 1000–1100 °C in Luft für 10 Stunden und 50 Stunden im Muffelofen (SXL-1400) oxidiert. Darüber hinaus wurden die Verbundwerkstoffe bei höheren Temperaturen von 1200–1300 °C für 10 Stunden und 50 Stunden an Luft wärmebehandelt, um die Kompatibilität zwischen der CaWO4-Beschichtung und SiC zu untersuchen.

Gemäß der in Abb. 4 gezeigten XRD-Analyse der mit CaWO4 beschichteten SiC-Faser wurde neben der β-SiC-Phase, die von der darunter liegenden SiC-Faser stammt, nur CaWO4 identifiziert, was darauf hindeutet, dass es sich bei der vorbereiteten Zwischenphasenbeschichtung um reines CaWO4 handelt.

XRD-Muster einer mit CaWO4 beschichteten SiC-Faser.

Abbildung 5 zeigt die Oberflächenmorphologie der beschichteten SiC-Faser. Zusammen mit der XRD kann bestätigt werden, dass die CaWO4-Interphasenbeschichtung erfolgreich auf SiC-Fasern hergestellt wurde. Im Vergleich zu einer durch CVD-Methoden hergestellten Zwischenphasenbeschichtung, z. B. einer BN-Beschichtung in7, ist die durch das So-Gel-Verfahren hergestellte CaWO4-Zwischenphasenbeschichtung relativ rauer.

Oberflächenmorphologie einer mit CaWO4 beschichteten SiC-Faser.

Die Größe des unidirektionalen SiCf/SiC-Minikomposits, das mit der PIP-Methode hergestellt wurde, beträgt etwa 2 × 3 × 20 mm. Die Querschnittsansicht von SiCf/SiC-Minikompositen (REM-Rückstreuelektronenbilder) mit und ohne CaWO4-Interphasenbeschichtung ist in Abb. 6 dargestellt. 5, 6 gibt es Bereiche um die Faser herum ohne Grenzflächenbeschichtung. Schlammrisse, die häufig bei Verbundwerkstoffen beobachtet werden, die mit der PIP-Methode26 hergestellt wurden, wurden auch in den aktuellen SiCf/SiC-Miniverbundwerkstoffen gefunden, wie in Abb. 6 dargestellt. Gemäß Abb. 6c, d weisen die CaWO4-Zwischenphasenbeschichtungen im beschichteten Bereich eine Dicke im Bereich auf von 200–600 nm.

Querschnittsansicht von SiCf/SiC-Minikompositen: (a,b) ohne Zwischenphasenbeschichtung und (c,d) mit CaWO4-Zwischenphasenbeschichtung.

Die Dichte von SiCf/SiC-Minikompositen mit und ohne CaWO4-Zwischenphasenbeschichtung beträgt etwa 2,16 g/cm3 bzw. 2,29 g/cm3 und ihre Porosität beträgt etwa 14,4 % bzw. 10 %. Die höhere Porosität von SiCf/SiC-Verbundwerkstoffen mit der CaWO4-Grenzflächenbeschichtung ist wahrscheinlich auf deren Einfluss auf die Imprägnierungseffizienz von PCS zurückzuführen. Die Verteilung der durch die Sol-Gel-Methode hergestellten CaWO4-Interphasenbeschichtung ist relativ zufällig und neigt zur Aggregation auf der Faseroberfläche, was die Imprägnierung von PCS behindern kann. Die geringere Imprägnierungseffizienz von PCS kann dazu führen, dass weniger SiC-Matrix in das Faserkabel eingefüllt wird, was zu einer höheren Porosität des SiCf/SiC-Minikomposits führt.

Da eine der Hauptfunktionen der Grenzflächenbeschichtung darin besteht, den Verbundwerkstoffen Pseudoplastizität zu verleihen, ist es notwendig, das Bruchverhalten des grenzflächenmodifizierten Verbundwerkstoffs zu untersuchen. Da die vorbereiteten Minikompositproben zu klein waren, um zuverlässige makroskopische Zugversuche durchzuführen, wurde der Einfluss der CaWO4-Interphasenbeschichtung auf das Bruchverhalten von SiCf/SiC-Minikompositen hauptsächlich durch den Vergleich der REM-Fraktographie des Komposits mit und ohne Interphase untersucht. Die Bruchflächen der Minikomposite sind in Abb. 7 dargestellt. Die Bruchflächen der Minikomposite wurden durch den In-situ-Zugversuch erzeugt, wie im experimentellen Teil beschrieben. Für das Minikomposit ohne Zwischenphasenbeschichtungen wurden flache Bruchflächen erhalten, und es wurden keine Anzeichen einer Rissablenkung an der Grenzfläche zwischen Faser und Matrix oder einem Faserauszug gefunden (Abb. 7a, b). Die REM-Untersuchung des Minikomposits ohne Zwischenphasenbeschichtung lässt eindeutig auf ein sprödes Versagen schließen.

Stark vergrößerte Bruchfläche von SiCf/SiC-Minikompositen: (a,b) ohne Zwischenphasenbeschichtung und (c,d) mit CaWO4-Zwischenphasenbeschichtung.

Bei mit CaWO4-beschichteten Fasern verstärkten Minikompositen wurde eine raue Bruchfläche festgestellt. Es wurde beobachtet, dass es an der Grenzfläche zwischen Faser und Matrix zu einer Ablösung kam, und auf der Bruchfläche wurden deutliche Faserauszüge festgestellt (Abb. 7c). Darüber hinaus zeigte die REM-Beobachtung eine Muldenbildung in der Matrix nach dem Faserauszug (Abb. 7d).

Durch den Vergleich der Bruchoberfläche von SiCf/SiC-Minikompositen mit und ohne CaWO4-Interphasenbeschichtung wird gezeigt, dass die CaWO4-Interphasenbeschichtung einen positiven Effekt auf die Änderung des Bruchverhaltens von sprödem zu duktilerem hat. Wenn an der Grenzfläche Faser/Matrix keine Zwischenphasenbeschichtung vorhanden ist, entsteht eine starke Bindung, und als Folge davon dringen Risse in die Fasern ein, ohne dass es beim Versagen von Verbundwerkstoffen zu einer Ablenkung kommt27,28,29. Dadurch wurde eine flache Bruchfläche erhalten, was auf eine minimale Bruchenergie schließen lässt. Im SiCf/CaWO4/SiC-Minikomposit kann das Vorhandensein einer CaWO4-Interphasenbeschichtung zu einer schwächeren Grenzflächenbindung führen, was die Ablösung der Faser/Matrix-Grenzfläche und den Faserauszug bei Versagen begünstigt. Dadurch bildete sich eine raue Bruchfläche, verbunden mit dem Verbrauch höherer Bruchenergien.

Die Wirkung der CaWO4-Beschichtung auf die Grenzflächeneigenschaft der Minikomposite wird durch den Faser-Push-out-Test weiter quantitativ bewertet. Für die Push-Out-Tests wurden nach dem Zufallsprinzip Fasern ausgewählt, die über der Rille liegen und von der Matrix umgeben sind. Um das Push-Out-Experiment zu erleichtern und die potenziell stärkere Faser-/Matrix-Bindung zu erklären, wurden die SiCf/SiC-Minikomposite ohne Zwischenphasenbeschichtung zu einer dünneren Scheibe geschliffen und poliert, was die Verwendung geringerer Push-Out-Lasten ermöglicht. Abbildung 8 zeigt die typische Eindruckkurve von SiCf/SiC-Minikompositen mit (Abb. 8a) und ohne Zwischenphasenbeschichtung (Abb. 8b), die aus dem Einzelfaser-Push-out-Test erhalten wurde. Eine ähnliche Ausdrückkurve für einzelne Fasern wurde von Zhang et al. 25. Gemäß der Last-Verschiebungs-Kurve kann der Ausdrückvorgang einer einzelnen Faser im SiCf/CaWO4/SiC-Minikomposit in vier Perioden (A, B, C und D) unterteilt werden, die in der Eindruckkurve markiert wurden (Abb. 8). Abbildung 9 zeigt ein schematisches Diagramm dieser vier Perioden im Faserausstoßprozess25.

Repräsentative Eindruckkurve von Einzelfaser-Push-out-Tests am SiCf/SiC-Minikomposit: (a) mit CaWO4-Interphasenbeschichtung und (b) ohne Interphasenbeschichtung.

Angepasst von Referenz25.

Schematische Darstellung des durch Nanoindentation am SiCf/CaWO4/SiC-Minikomposit durchgeführten Faserausstoßprozesses.

In Periode A drückt der Eindringkörper in die SiC-Faser und es kommt zu einer elastischen Verformung der SiC-Faser. Die Faser-/Matrix-Grenzfläche ist immer noch in gutem Zustand und weist keine Risse an der Grenzfläche auf. Während dieser Zeit wird die Aufprallenergie des Eindringkörpers vollständig durch die elastische Verformung der SiC-Faser absorbiert25. In Periode B kommt es zu einer teilweisen Ablösung an der Grenzfläche zwischen Faser und Matrix, und es bilden sich kleine Risse an der Grenzfläche, die durch die Entkopplung von Faser und Matrix verursacht werden. Infolgedessen nimmt der Elastizitätsmodul des Faser-Matrix-Systems ab, wie in Abb. 8 dargestellt. In Periode C ist die Faser-Matrix-Grenzfläche vollständig gelöst. Der Faserausstoß wird eingeleitet und dann wird die SiC-Faser unter die Oberfläche der Scheibe gedrückt. Die kritische Belastung beim Herausdrücken der SiC-Faser wird mit Pmax bezeichnet (Abb. 8). Schließlich berührt der Eindringkörper in Periode D die umgebende SiC-Matrix, was zu einem Anstieg des Elastizitätsmoduls des Systems führt.

Die Grenzflächenablösungsspannung des SiCf/CaWO4/SiC-Minikomposits kann wie folgt berechnet werden30, 31

Dabei ist τ die Grenzflächenablösungsspannung, Pmax die Ausdrücklast, D der Durchmesser der SiC-Faser und L die Dicke der Scheibe.

Für das Minikomposit wurden etwa 15 Push-Out-Tests durchgeführt. Die durchschnittliche Grenzflächenablösungsspannung von SiCf/SiC-Minikomposit mit CaWO4-Interphasenbeschichtung und ohne Interphasenbeschichtung wird unter Verwendung von Gl. (1). Die Grenzflächenablösungsspannung von Verbundwerkstoffen mit BN- und PyC-Beschichtung beträgt etwa 5–20 MPa32, 33, und die Grenzflächenablösungsspannung von Verbundwerkstoffen mit LaPO4-Zwischenphase beträgt etwa 100–200 MPa34, 35. Eine geringere Grenzflächenablösungsspannung stellt eine schwächere Grenzflächenbindung dar und erleichtert die Zähigkeit der Verbundwerkstoffe. Daher ist die Wirksamkeit der CaWO4-Interphase für die Zähigkeit wahrscheinlich schlechter als die der BN- oder PyC-Beschichtung, aber etwas besser oder nahe an der LaPO4-Beschichtung.

Basierend auf der Bruchflächenuntersuchung und den Messungen der Debonding-Spannung an der Grenzfläche ist es offensichtlich, dass die CaWO4-Interphase tatsächlich die Grenzflächeneigenschaft verbessert, indem sie eine schwächere Bindung an der ursprünglichen Faser/Matrix-Grenzfläche bereitstellt. Es ist jedoch anzumerken, dass der Verfestigungseffekt in der aktuellen Arbeit nicht dramatisch ist, was durch die begrenzte Ablösungslänge und die an der Bruchoberfläche beobachteten Matrixrisse angezeigt wird. Dies dürfte zumindest teilweise auf die lokale Unvollständigkeit der Beschichtung zurückzuführen sein, wie in Abb. 6 dargestellt. Es wird davon ausgegangen, dass eine zukünftige Optimierung des Beschichtungsprozesses eine vollständige Nutzung des durch die CaWO4-Zwischenphase bereitgestellten Zähigkeitseffekts ermöglichen würde.

Das SiCf/CaWO4/SiC-Minikomposit wurde 50 Stunden lang bei 1000 °C und 10 und 50 Stunden lang bei 1100 °C oxidiert. Die Querschnittsansicht des oxidierten Minikomposits ist in Abb. 10 dargestellt. Gemäß der SEM-Beobachtung ist Die CaWO4-Interphasenbeschichtung war nach dem Oxidationsprozess immer noch im Verbundwerkstoff sichtbar, was bestätigt, dass die CaWO4-Interphasenbeschichtung wie erwartet eine gute Oxidationsbeständigkeit aufweist. Daher kann spekuliert werden, dass die CaWO4-Interphasenbeschichtung die Rissablenkung und den Faserauszug in der sauerstoffreichen Umgebung über einen langen Zeitraum hinweg fördern kann.

Querschnittsansicht von SiCf/CaWO4/SiC-Minikompositen, oxidiert bei (a) 1000 °C für 50 Stunden, (b) 1100 °C für 10 Stunden und (c) 1100 °C für 50 Stunden.

Eine In-situ-Zug-REM-Beobachtung des SiCf/CaWO4/SiC-Minikomposits nach 50-stündiger Oxidation bei 1100 °C wurde durchgeführt, um die Wirksamkeit der CaWO4-Interphasenbeschichtung nach der Oxidation zu bewerten. Zum Vergleich wurde auch nichtoxidiertes SiCf/SiC-Minikomposit ohne Zwischenphasenbeschichtung untersucht. REM-Aufnahmen, die in situ während der Zugprüfung des SiCf/SiC- und des oxidierten SiCf/CaWO4/SiC-Minikomposits aufgenommen wurden, sind in den Abbildungen dargestellt. 11 bzw. 12. Der gesamte Versagensprozess des SiCf/SiC-Minikomposits wurde in weniger als 2 s abgeschlossen. Es ist offensichtlich, dass der Rissausbreitungsweg des SiCf/SiC-Minikomposits nahezu senkrecht zur Ober- und Unterseite des Verbundwerkstoffs verläuft und der Riss ohne Ablenkung in die Fasern eindringt (Abb. 11). Die flache Bruchfläche des SiCf/SiC-Minikomposits entspricht der in Abb. 6 dargestellten Bruchflächenmorphologie.

In-situ-Zug-REM-Beobachtung eines SiCf/SiC-Minikomposits ohne Grenzflächenbeschichtungen.

In-situ-Zug-REM-Beobachtung von SiCf/CaWO4/SiC-Minikomposit, oxidiert bei 1100 °C für 50 Stunden.

Im Vergleich dazu wurden beim Versagen eines SiCf/CaWO4/SiC-Minikomposits, das 50 Stunden lang bei 1100 °C oxidiert wurde, Rissablenkung und scheinbarer Faserauszug beobachtet (Abb. 12). Abbildung 13 zeigt außerdem die Fraktographie eines SiCf/CaWO4/SiC-Minikomposits, das 50 Stunden lang bei 1100 °C oxidiert wurde. An der Bruchfläche wurden ein Faserauszug und eine Ablösung der Faser/Matrix-Grenzfläche beobachtet, was bestätigt, dass die CaWO4-Zwischenphasenbeschichtung das Minikomposit nach der Oxidation wirksam zäher macht. Dies steht in starkem Gegensatz zur PyC- und BN-Beschichtung, die bei Zwischentemperaturen dazu neigt, durch Oxidation verbraucht zu werden, was zu einer starken Bindung an der Faser-Matrix-Grenzfläche und zum Verlust der Rissablenkungsfunktionalität führt36, 37.

Fraktographie von SiCf/CaWO4/SiC-Minikomposit, oxidiert bei 1100 °C für 50 Stunden.

Das SiCf/CaWO4/SiC-Minikomposit wurde 50 Stunden lang bei einer höheren Temperatur von 1300 °C wärmebehandelt, um die thermische Kompatibilität zwischen CaWO4 und SiC zu bewerten. Das Querschnittsbild und die entsprechende EDS-Karte aus dem Grenzflächenbereich sind in Abb. 14 dargestellt. Die CaWO4-Interphasenbeschichtung bleibt an der Faser/Matrix-Grenzfläche sichtbar und es ist keine offensichtliche Reaktionszone zwischen Interphase und Faser oder Matrix zu finden. Unterdessen zeigt die EDS-Kartierung die Abwesenheit von Si in der Zwischenphase und von W oder O in der SiC-Matrix oder -Faser an, was weiter bestätigt, dass nach der Wärmebehandlung bei 1300 °C für 50 Stunden keine Grenzflächenreaktion stattfindet. Verglichen mit der LaPO4-Beschichtung, die nachweislich bei 1200 °C mit SiC reagiert15, lässt die gute thermische Kompatibilität zwischen der CaWO4-Interphase und SiC bei 1300 °C darauf schließen, dass die CaWO4-Interphase besser für SiCf/SiC-Verbundwerkstoffe geeignet ist.

(a) Querschnittsansicht eines SiCf/CaWO4/SiC-Minikomposits, wärmebehandelt bei 1300 °C für 50 Stunden. (b–d) Entsprechende Ergebnisse des EDS-Kartenscans.

Mit der Sol-Gel-Tauchbeschichtungsmethode wurden relativ gleichmäßige CaWO4-Interphasenbeschichtungen auf der SiC-Faser hergestellt, und anschließend wurden mit der PIP-Methode unidirektionale SiCf/CaWO4/SiC-Minikomposite hergestellt. Die Dicke der Zwischenphasenbeschichtung lag im Bereich von 200–600 nm. Die Grenzflächeneigenschaft des SiCf/CaWO4/SiC-Minikomposits wurde quantitativ bewertet und die thermische Stabilität der CaWO4-Zwischenphasenbeschichtung bei 1000–1300 °C in Luft untersucht. Die Ergebnisse werden wie folgt zusammengefasst:

Während des Versagens des SiCf/CaWO4/SiC-Minikomposits werden Rissablenkung und Faserauszug beobachtet, was darauf hindeutet, dass durch die CaWO4-Zwischenphasenbeschichtung eine schwache Faser/Matrix-Grenzfläche bereitgestellt wird. Die Grenzflächenablösungsspannung des SiCf/SiC-Minikomposits mit der CaWO4-Interphasenbeschichtung beträgt etwa 80,7 ± 4,6 MPa und liegt damit zwischen der der PyC- und LaPO4-Beschichtung.

Im Gegensatz zur PyC- und BN-Beschichtung weist die CaWO4-Interphasenbeschichtung nachweislich eine gute Oxidationsbeständigkeit auf. Die CaWO4-Interphasenbeschichtung bleibt an der Grenzfläche erhalten und kann die Rissablenkung und den Faserauszug fördern, nachdem der Verbundstoff 10–50 Stunden lang bei 1000–1100 °C oxidiert wurde.

Die CaWO4-Interphasenbeschichtung weist nach einer 50-stündigen Wärmebehandlung bei 1300 °C keine offensichtliche Grenzflächenreaktion und Diffusion mit SiC-Fasern oder -Matrix auf, was auf eine bessere thermische Kompatibilität mit SiC als die LaPO4-Beschichtung schließen lässt. In Kombination mit der geeigneten Zwischenphasenbindungsspannung hat die CaWO4-Interphasenbeschichtung ein gutes Potenzial für den Einsatz in SiCf/SiC-Verbundwerkstoffen.

Datensätze, die während der aktuellen Studie verwendet oder analysiert wurden, sind auf begründete Anfrage beim jeweiligen Autor erhältlich.

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Diese Arbeit wurde von der National Natural Science Foundation of China (Nr. 52072238) unterstützt.

Fakultät für Maschinenbau, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, 200240, China

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School of Material Science and Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, 200240, China

Na Ni, Binbin Wu, Yinchun Shi, Xiaohui Fan und Chuanwei Li

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NN und BBW konzipierten und führten die Experimente durch und analysierten die Daten. NN und CWL haben diese Studie betreut. Alle Autoren diskutierten die Ergebnisse und verfassten und überprüften den Manuskripttext.

Korrespondenz mit Na Ni oder Chuanwei Li.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Ni, N., Wu, B., Shi, Y. et al. Grenzflächeneigenschaften von SiCf/SiC-Minikompositen mit einer Scheelitbeschichtung. Sci Rep 12, 21950 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-26626-9

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Eingegangen: 13. August 2022

Angenommen: 16. Dezember 2022

Veröffentlicht: 19. Dezember 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-26626-9

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