Mater. Sci. Eng., A.：三维针状C/SiC复合材料的改善与强韧化——可变形MAX相的buff增益

【引言】

由于其密度低、强度高、热稳定性高、抗氧化性好，碳纤维增强SiC基复合材料（C/SiC）是热结构材料中最有希望的候选材料之一。目前，化学气相渗透（CVI）技术是一种最有效的制造工艺。然而，用此方法制备出的材料，残余孔隙率与原始纤维预制棒上的孔隙尺寸分布有关，这对于三维针状碳纤维增强SiC基复合材料（3DN C/SiC）是十分不利的。致密率可以通过反应性熔体渗透（RMI）技术得到提高，但是用RMI处理后，其弯曲强度和断裂韧性通常低于用CVI处理的C/SiC。根据之前的研究，用RMI将MAX相引入到3DN C/SiC中，可以解决致密化后材料韧性可能降低的问题。MAX相是一种既具有高损伤容限又具有内部弱金属键的纳米层状材料，在变形过程中有很高的可塑性，能够提高陶瓷基复合材料的强度和韧性。

【成果简介】

近日，西北工业大学殷小玮(通讯作者)在Materials Science and Engineering: A.上发表了题为“Modification and Toughening of 3D needled C/SiC composite by deformable MAX phase-based matrix”的文章。本文使用3DN C/SiC预制棒的短切纤维层，结合浆料浸渍（SI）和反应性熔体浸润（RMI）工艺，原位生成了MAX相基的基体。通过控制制造工艺，调整基体中MAX相与脆性相的比例。研究发现，随着MAX相含量的增加，界面薄弱的“强”MAX相的优势逐渐显现。MAX相的变化不仅丰富了强韧化机理，还提升了3DN C/SiC的承载结构。本文重点研究了复合材料的微观结构和相分布，揭示了复合材料的强韧化机理。

【图文导读】

表1 四个样品的成分

图1 3DN纤维预制棒的制备示意图

图2四个样品的XRD图谱

图3 3DN C/SiC预制棒的典型截面形貌

（a）A型；A型微观结构是非针状化区域，其中无纺布和短切纤维网被反复堆叠。

（b）B型；B型微观结构对应于针状化区域，针状化区域稀疏分布。

解读：在纤维密度高的区域，闭合的微孔通常分布在单向纤维层和针状区域内。在纤维含量低的区域，短切纤维网中存在大孔隙。

图4复合材料的纤维有效承载强度与参考文献的对比

解读：在改良前，3DN中的C/SiC和2D C/SiC纤维的有效承载强度相差不大，但在改良后，3DN中的C/SiC纤维的有效承载力明显高于2D结构复合材料，这说明致密后的短切纤维网层对3DN结构材料的承载能力有很大的影响。

图5 四个样品的断裂面照片

（a）（b）S0的断裂面照片。

（c）S1的断裂面照片。

（d）S2的断裂面照片。

（e）S3的断裂面照片。

图6 样品S3的断口照片

（a）样品S3的断裂形貌。

（b）样品S3横截面上的裂纹扩展。

图7 样品3的裂口微观形貌照片

（a，b）3DN C/SiC-Ti₃SiAlC₂中Ti₃Si(Al)C₂的变形机制。

（c）Ti₃Si(Al)C₂颗粒周围的裂纹扩展

（d）Ti₃Si(Al)C₂基体中的微裂纹扩展

图8改良后3DN C/SiC复合材料和基体中的裂纹扩展示意图

解读：在晶格大小范围内，具有薄弱界面的Ti₃Si(Al)C₂可以起到强韧化材料的作用。在晶粒尺度范围内，改变Ti₃Si(Al)C₂在基体中的含量可以提高基体的开裂应力。Ti₃Si(Al)C₂改良后可以改善SDN材料的承载结构与承载能力。

【小结】

本研究采用了浆液渗透和反应熔体渗透相结合的方法，在3DN C/SiC预制棒中引入了MAX相基的基体。由于Ti₃Si(Al)C₂基体具有较高的损伤容限，在3DN C/SiC中原位生成15％（体积分数）的Ti₃Si(Al)C₂后，力学性能得到明显提高，其弯曲强度和断裂韧性分别为440±17 MPa和15.9±1.4 MPa·m^1/2。3DN C/SiC的孔隙率高，具有承载能力低的短切纤维网，其承载结构是由一个薄弱层夹着三个强层，而具有“弱”界面改性的高损伤容限MAX相可以改善短切纤维网，将承载结构改为一个弱层夹在三个强层中，丰富了对材料的韧化机制，从而显著改善了材料的承载能力。

文献链接：Modification and Toughening of 3D needled C/SiC composite by deformable MAX phase-based matrix（Mater. Sci. Eng., A,2017,DOI: 10.1016/j.msea.2017.11.110）

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