熱處理工藝對Mini C/SiC復合材料拉伸性能和強度分布的影響

孟志新 譚志勇 張毅 周影影 吳坤堯 魯媛媛

摘? ? ? 要：采用5種工藝制備了C纖維束增韌SiC陶瓷基復合材料（Mini C/SiC），研究了熱處理工藝對不同制備工藝條件下Mini C/SiC復合材料拉伸性能和強度分布的影響。實驗結果表明：在不進行熱處理的Mini C/SiC復合材料中引入熱解炭（PyC）界面相可提高拉伸性能和強度穩定性。與不進行熱處理的Mini C/SiC復合材料相比，對引入PyC界面相復合材料的C纖維束和/或PyC界面相進行熱處理均可提高拉伸性能。熱處理溫度小于等于1 700 ℃時，先對C纖維進行熱處理然后再沉積PyC界面相的Mini C/SiC復合材料，其拉伸性能最好。熱處理溫度為2 000 ℃時，先對C纖維沉積PyC界面相然后再進行熱處理的Mini C/SiC復合材料，其拉伸性能最好。熱處理溫度對Mini C/SiC復合材料變形行為有著顯著的影響，熱處理溫度不同時，復合材料表現出了不同的變形行為。

關? 鍵? 詞：纖維束復合材料;熱處理;拉伸性能;強度分布

中圖分類號：TB332;TQ174? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ?文章編號： 1671-0460（2020）09-1829-06

Abstract： C fiber bundle toughened SiC ceramic matrix composites（Mini C/SiC）were fabricated by five different processes. The influence of heat treatment processes on the tensile properties and strength distribution of Mini C/SiC composites under different preparation conditions was studied. The experimental results showed that the introduction of PyC interphase into Mini C/SiC composite without heat treatment improved the tensile properties and strength stability. Compared with Mini C/SiC composite without heat treatment， the tensile properties of the composites with PyC interphase were improved by heat treatment for C fiber bundle and/or PyC interphase. When the heat treatment temperature was less than or equal to 1 700 ℃， Mini C/SiC composites with C fibers deposited PyC interphase after heat treatment had the best mechanical properties. When the temperature of heat treatment was 2 000 ℃， the tensile properties of Mini C/SiC composites were the best， which were prepared by deposition of PyC interphase on C fibers and then heat treatment. The heat treatment temperature had significant effect on the deformation behavior of Mini C/SiC composites. The composites showed different deformation behavior when the heat treatment temperature was different.

Key words： Fiber bundle composites; Heat treatment; Tensile properties; Strength distribution

連續纖維增韌陶瓷基復合材料（CMC）作為新一代熱結構材料在航空、航天、能源等領域顯示出了不可替代的優勢和廣泛的應用前景，關鍵在于CMC既克服了陶瓷基體脆性和可靠性低的致命弱點，又兼顧了纖維和陶瓷基體的優點[1-10]。

對于CMC而言，要使 CMC比陶瓷材料具有更高的破壞阻力和斷裂韌性，這就要求纖維與基體之間形成弱結合，即形成弱界面;另外，由于CMC的制備溫度較高，為了保護纖維不受損傷，也希望在纖維與基體形成弱界面[11-12]。在CMC中，弱界面通常是采用具有層狀結構的界面相得以實現。 因此，界面相是CMC中極其重要的一個微結構單元，與CMC整體性能的優劣以及變形行為密切相關[2，10，12-21]。目前，最常用的界面相材料是PyC[2，12-13，22-23]。研究表明，對PyC進行熱處理，能夠調節纖維與基體之間的界面結合，從而改善CMC的力學性能和斷裂行為[24-25]。

為此，本文以C/SiC復合材料為研究對象，采用沉積PyC界面相、熱處理以及兩者相結合處理的C纖維束作為預制體，制備了Mini C/SiC復合材料，并分析其在不同制備工藝條件下的拉伸性能、強度分布以及拉伸斷裂行為，以進一步探討熱處理溫度對Mini C/SiC復合材料拉伸性能和強度分布的影響。

1? 實驗部分

1.1? 材料制備

本文所用纖維是日本東麗公司生產的1k T-300 C纖維。Mini C/SiC復合材料的制備工藝如表1所示。表1中所提到的熱處理溫度分別為1 400、1 500、1 600、1 700、1 800、2 000 ℃。另外，熱處理保護氣氛為氬氣（Ar），時間為1 h。PyC界面相采用化學氣相沉積（CVD）的方法進行制備，工藝如下：源物質為丙烯（C3H6），氬氣（Ar）為稀釋氣體，沉積溫度為900 ℃。SiC基體采用化學氣相浸滲（CVI）的方法進行制備，工藝如下：源物質為三氯甲基硅烷（CH3SiCl3，MTS），稀釋氣體為Ar，載氣為氫氣（H2），H2與MTS的物質的量比為10∶1，浸滲溫度為1 150 ℃。

1.2? 力學性能測試及顯微結構分析

Mini C/SiC復合材料的拉伸性能參照美國標準ASTM D 3379-75和日本工業標準JISR7601-1980在室溫條件下進行測試。測試設備為Instron 3345型電子萬能實驗機。拉伸加載速度為0.2 mm·min-1，拉伸標距為50 mm，每種材料的測試數量為20個。

2? 結果與討論

2.1? 拉伸性能與強度分布

不同制備工藝條件下Mini C/SiC復合材料的拉伸性能和Weibull強度分布[26]統計量見表2。熱處理溫度對不同制備工藝條件下Mini C/SiC復合材料拉伸性能和Weibull強度分布的影響如圖1所示。

由表2和圖1可以看出，采用工藝二制備的Mini C/SiC復合材料，其拉伸強度、Weibull模數以及延伸率和斷裂功分別比采用工藝一制備的Mini C/SiC復合材料提高了49%、7%、56%和250%。由此可見，在不進行熱處理的Mini C/SiC復合材料中引入PyC界面相可以提高復合材料的拉伸性能和強度穩定性。同時，采用工藝三制備的Mini C/SiC復合材料，其拉伸強度、Weibull模數、延伸率和斷裂功在1 400 ℃到1 800 ℃之間除了1 600 ℃發生降低之外均隨著熱處理溫度的升高而增大;且其拉伸強度、延伸率和斷裂功在1 800 ℃時分別達到了最大值554.03 MPa、1.10%和3.00 MJ·m-3，Weibull模數在1 500 ℃達到了最大值8.71;然后在2 000 ℃時均發生了降低。

采用工藝四制備的Mini C/SiC復合材料，其拉伸強度在1 400 ℃和1 700 ℃之間均隨著熱處理溫度的升高而增大，并在1 700 ℃達到了最大值808.05 MPa，然后隨著熱處理溫度的升高而降低;而其Weibull模數隨熱處理溫度變化的規律與拉伸強度隨熱處理溫度變化的規律恰恰相反，在1 400 ℃和1 700 ℃之間均隨著熱處理溫度的升高而降低，然后隨著熱處理溫度的升高而增大，其最大值出現在1 400 ℃，為11.38;其延伸率除了在1 700 ℃和? ? 2 000 ℃時發生降低之外，在其余溫度均隨著熱處理溫度的升高而增大，并在1 800 ℃達到了最大值1.04%;其斷裂功隨熱處理溫度變化的規律與拉伸強度隨熱處理溫度變化的規律相同，在1 700 ℃達到了最大值3.93 MJ·m-3。

采用工藝五制備的Mini C/SiC復合材料，其拉伸強度除了在1 800 ℃發生降低之外均隨著熱處理溫度的升高而增大，并在2 000 ℃達到了最大值632.16 MPa;其Weibull 模數隨著熱處理溫度的升高而呈現出波浪狀的變化規律，并在1 600 ℃達到了最大值9.37;其延伸率除了在1 600 ℃和2 000 ℃發生降低之外，均隨著熱處理溫度的升高而增大，并在1 800 ℃達到了最大值0.93%;其斷裂功除了在1 600 ℃發生降低之外，均隨著熱處理溫度的升高而增大，并在2 000 ℃達到了最大值2.72 MJ·m-3。

由表2和圖1還可以看出，采用工藝四和工藝五制備的Mini C/SiC復合材料，其拉伸強度、延伸率和斷裂功均高于工藝一和工藝二制備的Mini C/SiC復合材料。當熱處理溫度小于等于1 700 ℃時，采用工藝四制備的Mini C/SiC復合材料的拉伸強度、延伸率和斷裂功最大，采用工藝三制備的Mini C/SiC復合材料的拉伸強度、延伸率和斷裂功最小，而采用工藝五制備的Mini C/SiC復合材料的拉伸強度、延伸率和斷裂功介于兩者之間。同時，當熱處理溫度為1 800 ℃時，采用工藝五制備的Mini C/SiC的拉伸強度最大，而延伸率和斷裂功最小;采用工藝三制備的Mini C/SiC復合材料的拉伸強度最小，而延伸率和斷裂功最大;而采用工藝四制備的Mini C/SiC復合材料的拉伸強度、延伸率和斷裂功介于兩者之間。此外，當熱處理溫度為2 000 ℃時，采用工藝五制備的Mini C/SiC復合材料的拉伸強度、延伸率和斷裂功最大，采用工藝三制備的Mini C/SiC復合材料的拉伸強度、延伸率和斷裂功最小，而采用工藝四制備的Mini C/SiC復合材料的拉伸強度、延伸率和斷裂功介于兩者之間。

綜上所述，在不進行熱處理的Mini C/SiC復合材料中引入PyC界面相可以提高復合材料的拉伸性能和強度穩定性。此外，與不進行熱處理的Mini C/SiC復合材料相比，當復合材料中引入PyC界面相時，只要對C纖維束和/或PyC界面相進行熱處理均可提高Mini C/SiC復合材料的拉伸性能。熱處理溫度對Mini C/SiC復合材料的拉伸性能有著顯著的影響，即使制備工藝相同而熱處理溫度不同，Mini C/SiC復合材料也表現出了不同的拉伸性能。

2.2? 斷裂行為

不同制備工藝條件下Mini C/SiC復合材料的拉伸應力-位移曲線如圖2所示。為了可以清晰地對比，分別將圖中的拉伸曲線向右作了平移。

由圖2可見，采用不同工藝制備的Mini C/SiC復合材料，其拉伸應力-位移曲線均存在左尾跡，并在最大應力處直接發生脆性斷裂。由圖2（a）可以看出，采用工藝一制備的Mini C/SiC復合材料，其拉伸應力-位移曲線的階段性特征不明顯，在結束左尾跡之后直接進入準線性階段直到發生斷裂。采用工藝三制備的Mini C/SiC復合材料，其拉伸應力-位移曲線的階段性特征除了在1 500 ℃和1 800 ℃較為明顯之外，在其余熱處理溫度均不明顯，與采用工藝一制備的Mini C/SiC復合材料相似。當熱處理溫度為1 500 ℃時，Mini C/SiC復合材料拉伸應? ? 力-位移曲線的階段性特征較為顯著，在結束左尾跡之后進入線彈性階段，然后由線彈性階段轉變為鋸齒狀階段直到發生斷裂。當熱處理溫度為1 800 ℃時，Mini C/SiC復合材料拉伸應力-位移曲線的階段性特征更為明顯，在結束左尾跡之后進入線彈性階段，然后進入非線性階段，最后由非線性階段轉變為準線性階段直到發生斷裂。

由圖2（b）可以看出，采用工藝二制備的Mini C/SiC復合材料，其拉伸應力-位移曲線的階段性特征也不明顯，與采用工藝一制備的Mini C/SiC復合材料相似。采用工藝四制備的Mini C/SiC復合材料，其拉伸應力-位移曲線隨著熱處理溫度的升高逐漸由階段性明顯的特征向階段性不明顯的特征轉變。

當熱處理溫度為1 400 ℃和1 500 ℃時，其拉伸應力-位移曲線的階段性特征明顯，均在結束左尾跡之后進入線彈性階段，然后進入鋸齒狀階段，最后由鋸齒狀階段轉變為準線性階段直到發生斷裂。兩者的不同點是：熱處理溫度為1 400 ℃時的Mini C/SiC復合材料的鋸齒狀變形階段較短，準線性變形階段較長;而熱處理溫度為1 500 ℃時的Mini C/SiC復合材料的鋸齒狀變形階段較長，準線性變形階段較短。當熱處理溫度為1 600 ℃和1 700 ℃時，其拉伸應力-位移曲線也表現出較為明顯的階段性特征，在結束左尾跡之后進入線彈性階段，然后轉變為準線性階段直到發生斷裂。當熱處理溫度為1 800 ℃和2 000 ℃時，其拉伸應力-位移曲線的階段性特征不明顯，與采用工藝二制備的Mini C/SiC復合材料相似。

由圖2（c）可以看出，采用工藝五制備的? ? Mini C/SiC復合材料，其拉伸應力-位移曲線從? ? 1 500 ℃開始隨著熱處理溫度的升高逐漸由階段性明顯的特征向階段性不明顯的特征轉變。當熱處理溫度為1 400 ℃時，其拉伸應力-位移曲線的階段性特征不明顯，在結束左尾跡之后進入準線性階段直到發生斷裂。當熱處理溫度為1 500 ℃時，其拉伸應力-位移曲線的階段性特征最為明顯，在結束左尾跡之后進入線彈性階段，然后進入鋸齒狀階段，最后由鋸齒狀階段轉變為準線性階段直到斷裂。當熱處理溫度在1 600 ℃與1 800 ℃之間時，其拉伸應力-位移曲線的階段性特征較為明顯，在結束左尾跡之后進入線彈性階段，然后轉變為準線性階段直到斷裂。當熱處理溫度為2 000 ℃時，其拉伸應? ? ?力-位移曲線的階段性特征不明顯，與熱處理溫度為1 400 ℃時的Mini C/SiC復合材料相似。

由此可知，熱處理溫度對Mini C/SiC復合材料的變形行為有著顯著的影響，即使制備工藝相同熱處理溫度不同時，Mini C/SiC復合材料也表現出了不同的變形行為。

3? 結 論

本文研究了不同制備工藝條件下Mini C/SiC復合材料的拉伸性能，得出如下結論：

1） 在不進行熱處理的Mini C/SiC復合材料中引入PyC界面相提高了復合材料的拉伸性能和強度穩定性。

2）與不進行熱處理的Mini C/SiC復合材料相比，當復合材料中引入PyC界面相時，只要對C纖維束和/或PyC界面相進行熱處理均可提高? Mini C/SiC復合材料的拉伸性能。

3）熱處理溫度不同時，Mini C/SiC復合材料的拉伸性能存在差異。當熱處理溫度小于等于? ? ? ?1 700 ℃時，先對C纖維束進行熱處理然后再沉積PyC界面相的Mini C/SiC復合材料，其拉伸性能達到了最優。當熱處理溫度為2 000 ℃時，先對C纖維束沉積PyC界面相然后再進行熱處理的Mini C/SiC復合材料，其拉伸性能達到了最優。當熱處理溫度為1 800 ℃時，采用不同工藝制備的Mini C/SiC復合材料的拉伸性能相近。

4）熱處理溫度對Mini C/SiC復合材料的變形行為有著顯著的影響，熱處理溫度不同時，Mini C/SiC復合材料表現出了不同的變形行為。

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