SiC纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的拉曼光譜研究.pdf

1、CVD SiC纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、比剛度、在較高溫度條件下組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，因此受到航空界的廣泛關(guān)注，被認(rèn)為是一種應(yīng)用前景良好的耐高溫結(jié)構(gòu)材料。
　　由于SiC纖維和鈦合金基體在高溫環(huán)境下為非化學(xué)平衡體系，因此纖維和基體合金之間的高溫化學(xué)反應(yīng)以及復(fù)合材料各部分在高溫下的組織演變將不可避免，這會(huì)影響復(fù)合材料在該溫度環(huán)境下的性能演變以及使用壽命。傳統(tǒng)的SiC纖維組織研究方法主要為透射電鏡，研究?jī)?nèi)容多為晶粒尺寸測(cè)量和晶體

2、缺陷的觀測(cè)。復(fù)合材料界面反應(yīng)產(chǎn)物的鑒定主要依靠透射電鏡觀測(cè)和電子衍射分析。由于透射電鏡分析對(duì)制樣要求較高，因此效率較低無法用于指導(dǎo)復(fù)合材料制備工藝的改進(jìn)。在相關(guān)報(bào)道中，拉曼光譜也被少量用于SiC纖維的組織的定性表征。同時(shí)，常見的SiC纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的界面反應(yīng)產(chǎn)物均具備拉曼活性。另外，拉曼光譜技術(shù)具有對(duì)制樣要求很低，對(duì)試樣無損傷，測(cè)試效率高的優(yōu)點(diǎn)。因此，本研究使用拉曼光譜對(duì)SiC纖維及其復(fù)合材料界面反應(yīng)產(chǎn)物的組織及高溫?zé)岜┞秾?dǎo)致的組

3、織演變進(jìn)行了試驗(yàn)性表征。同時(shí)通過透射電鏡、掃描電鏡和能譜的結(jié)果輔助并驗(yàn)證拉曼表征結(jié)果的正確性。
　　對(duì)鎢芯 SiC纖維組織的透射電鏡的研究表明，其 W-SiC界面反應(yīng)產(chǎn)物依次為W/W2C/W5Si3/SiC。這種產(chǎn)物排布主要由SiC高溫沉積過程中CH3SiCl3分解產(chǎn)物和后續(xù)擴(kuò)散反應(yīng)導(dǎo)致。纖維的SiC部分晶粒尺寸從內(nèi)向外沿徑向出現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律。另外SiC晶粒中存在高密度層錯(cuò)孿晶等缺陷，而且分布沒有規(guī)律。拉曼光譜沿纖維徑向線掃

4、的分析結(jié)果與透射電鏡的觀測(cè)結(jié)論表明SiC TO峰信息可用于SiC晶粒的尺寸和缺陷的表征。拉曼光譜儀同時(shí)檢測(cè)到SiC纖維部分區(qū)域存在 Si的共沉積，以及由此導(dǎo)致的畸變和殘余應(yīng)力。對(duì)不同溫度熱暴露的纖維進(jìn)行拉曼光譜研究顯示，沿纖維徑向不同區(qū)域的SiC組織高溫穩(wěn)定性不同。
　　研究發(fā)現(xiàn)使用 C3H8+C2H2+H2等比例混合作為反應(yīng)氣體在900℃裂解并分兩次沉積得到的雙層熱解碳涂層厚度穩(wěn)定（3μm左右），可以用于連續(xù)生產(chǎn)。這種雙層碳涂層

5、在拉伸過程中易于在涂層之間發(fā)生脫粘，有利于復(fù)合材料加載過程中的纖維拔出，可以有效提高復(fù)合材料的斷裂韌性和疲勞壽命。拉曼光譜和透射電鏡的分析表明C3H8+C2H2+H2和C2H2+H2制備的碳涂層組織非常相似。通過碳涂層拉曼光譜中的D峰與G峰比值測(cè)算出的熱解碳納米晶尺寸接近透射電鏡觀測(cè)結(jié)果。同時(shí)拉曼光譜的研究表明，這種熱解碳的組織可以在低于900℃的高溫下保持穩(wěn)定。
　　對(duì)SiCf/C/Mo/Ti6Al4V復(fù)合材料的界面反應(yīng)產(chǎn)物的拉

6、曼光譜研究表明，700-800℃200小時(shí)熱暴露后，界面反應(yīng)產(chǎn)物為 TiCx，同時(shí)有游離碳存在。900℃200小時(shí)熱暴露后，界面反應(yīng)產(chǎn)物的排列順序?yàn)镾iC/Ti5Si3/TiCx/Ti6Al4V，這與透射電鏡的主要分析結(jié)論一致。然而，透射電鏡研究還發(fā)現(xiàn)SiC與Ti5Si3層之間還存在較薄Ti3SiC2層。錯(cuò)過Ti3SiC2層是由于Ti5Si3和Ti3SiC2拉曼譜線的相似性以及光譜儀分辨率的限制。另外800-900℃200小時(shí)熱暴露后，

7、Mo和C原子在復(fù)合材料基體中的擴(kuò)散導(dǎo)致碳化物顆粒生成。經(jīng)過拉曼光譜和透射電鏡的分析，確定顆粒分為Ti3AlC2和TiCx兩類。同時(shí)顆粒中存在結(jié)構(gòu)缺陷，而且Ti3AlC2的生成與周邊生成的TiCx密切相關(guān)。
　　拉曼光譜對(duì)制備態(tài) SiCf/Ti43Al9V復(fù)合材料的界面反應(yīng)產(chǎn)物的分析結(jié)果為SiCf/TiCx/Ti2AlC/Ti43Al9V與透射電鏡分析結(jié)果一致。高分辨透射電鏡觀察發(fā)現(xiàn)反應(yīng)層TiCx晶粒中存在大量層錯(cuò)孿晶等缺陷，這可能