Significant enhancement on creep resistance of the near stoichiometric SiC fibers by ultrafast Joule heating
通过超快焦耳加热显著增强近化学计量SiC纤维的抗蠕变性
Litipu Aihaiti, Shuxing Li, Dilare Halmurat, Jiajing Zhou, Siwei Li*, Rong-Jun Xie**
DOI: https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.12.403
PDF原文
Ceramics International · 2024
厦门大学材料学院
论文亮点
- 采用超快焦耳加热技术（5-30秒，1900-2100°C）处理近化学计量SiC纤维，与传统热处理相比，实现了明显的晶粒长大但减少了纤维损伤
- 在2100°C处理15秒的C3纤维表现出优异的抗蠕变性能，同时保持了较高的拉伸强度，性能优于部分商用SiC纤维
研究背景
- 新一代航空发动机热端温度预计将达到1400-1700°C，超过镍基高温合金的承受极限（1100°C）
- SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料（SiCf/SiC CMCs）具有高强度、耐高温、轻质、抗氧化等优势，工作温度比镍基合金高200°C以上
- 第三代近化学计量SiC纤维具有更好的力学性能和更高的热稳定性，但在高温下仍面临严重的蠕变问题
研究方法
- 材料：使用近化学计量SiC纤维（C3），氧含量0.8%，C/Si比1.07，密度3g/cm³，强度4.1GPa，杨氏模量336GPa
- 热处理：采用焦耳加热设备，在氮气气氛下对单根C3纤维进行不同温度（1900、2000、2100°C）和不同时间（5、15、30秒）的超快热处理
- 表征：使用场发射扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、能谱分析（EDS）和X射线衍射（XRD）对纤维的微观结构和组成进行分析
- 力学性能测试：
- 采用改进的弯曲应力松弛（BSR）方法评估高温抗蠕变性能
- 使用Instron型试验机测试单纤维的拉伸强度和弹性模量（标距25mm）
主要结论
- 超快高温热处理使SiC晶粒尺寸增大，晶界纯度提高，从而显著增强了纤维的抗蠕变性能
- 在2100°C处理15秒的C3纤维表现出最佳的综合性能：优异的抗蠕变性和较高的强度保持率（37.73%）
- 纤维表面形成了多孔碳皮层，内部形成了非单调的晶粒尺寸分布（中间区域晶粒最大），这与传统热处理结果不同
结果与分析：原始C3纤维的形貌与组成
图1. 原始C3纤维的表面(a,b)和断裂形貌(c,d)SEM图像，以及EDS能谱分析(e)
原始C3纤维表面光滑致密，含有小颗粒，断裂面呈现典型的脆性特征。EDS分析检测到氧的存在。
结果与分析：1900°C热处理后的纤维形貌
图2. 1900°C不同时间热处理后C3纤维的表面(a-c)和断裂形貌(d-i)SEM图像，以及EDS分析(j,k)
1900°C热处理后，纤维表面产生岛状颗粒，随时间延长形成不连续的纤维皮层。EDS证实这些颗粒主要为SiC，通过气相反应机制形成。
结果与分析：2000°C热处理后的纤维形貌
图3. 2000°C不同时间热处理后C3纤维的表面(a-c)和断裂形貌(d-i)SEM图像，以及EDS分析(j)
2000°C热处理后，纤维表面形成孔隙而非小颗粒，同时从截面观察到纤维表面被皮层覆盖，形成核壳结构。皮层主要成分为碳，核部主要为SiC。
结果与分析：2100°C热处理后的纤维形貌与晶粒尺寸
图4. 2100°C不同时间热处理后C3纤维的表面(a-c)和断裂形貌(d-i)SEM图像，以及晶粒尺寸分布(c-e)
2100°C热处理后，纤维表面形成多孔碳皮层，内部SiC晶粒尺寸随处理时间增加而增大：5秒-24.26nm，15秒-36.83nm，30秒-49.11nm。断裂形貌显示晶粒粗化和孔隙形成。
结果与分析：抗蠕变性能评估
图5. (a)热处理后C3纤维在1300°C蠕变1小时的弯曲应力松弛参数(m)；(b)四种类型纤维在不同温度下蠕变1小时的弯曲应力松弛参数(m)
| 热处理温度(°C) |
弯曲应力松弛比m(热处理时间) |
| 0s |
5s |
15s |
30s |
| 1900 |
0.6518 |
0.7196 |
0.7295 |
0.7940 |
| 2000 |
0.6518 |
0.8411 |
0.8385 |
0.8377 |
| 2100 |
0.6518 |
0.8635 |
0.8555 |
0.8655 |
所有热处理样品均显示出更高的m值，表明抗蠕变性能增强。m值随退火温度升高而增加。2100°C处理15秒的C3纤维在所有测试温度下均表现出最佳的抗蠕变性能。
结果与分析：拉伸强度与XRD分析
图6. (a)2100°C不同时间热处理后C3纤维的拉伸强度；(b)C3纤维和2100°C处理15秒C3纤维的XRD图谱
纤维的拉伸强度随热处理时间延长而单调降低，5、15和30秒处理后的强度保持率分别为42.41%、37.73%和15.47%。XRD分析显示热处理后纤维的衍射峰强度增强，峰宽变窄，表明结晶度提高。
结果与分析：微观结构表征
图7. 2100°C处理15秒C3纤维的TEM图像(a)和EDS谱图(b,c)，选区电子衍射(SAED)(d)和高分辨透射电镜(HRTM)(f)
2100°C处理15秒后，纤维表面形成孔隙，由表面SiCxOy和SiC相的分解和氧化引起。富碳区域由表面SiC晶粒分解和Si蒸发形成。SAED显示衍射环对应β-SiC的(111)、(220)和(311)晶面。
结果与分析：晶粒尺寸分布
图8. 2100°C处理15秒C3纤维的TEM截面图像(a)和三个区域的晶粒尺寸分布：(b)区域I，(c)区域II，(d)区域III
从表面到核心，SiC的平均晶粒尺寸分别为：区域I-37.08nm，区域II-40.70nm，区域III-35.68nm。中间区域晶粒尺寸最大，这与文献报道的表面晶粒最大的情况不同，可能是由于超快热处理下表面SiC晶粒分解速度远快于晶粒生长所致。