3D-Cf/Y2Si2O7复合材料力学性能、微观结构和成分的热演化

《Journal of Alloys and Compounds》：Thermal evolution of mechanical properties, microstructure and composition in 3D-C f/Y 2Si 2O 7 composites

三维碳纤维增强Y?Si?O?陶瓷基复合材料通过溶胶浸渍加热法成功制备，密度低至2.68 g/cm3，弯曲强度达334 MPa，断裂韧性提升至17.4 MPa·m1/2，较未增强陶瓷分别提高258.1%和861.4%。材料在1500℃惰性气氛下经1 h热处理后保持105.7%的强度和109.1%的模量，但5 h处理导致性能显著下降，主要因基体过度烧结、纤维表面SiO?迁移腐蚀及微裂纹生成。

　　

曾宽红|朱庚凯|张伟|邓桂航|王卫明|郭雷|彭正|王伟德|马青松

中国国防科技大学航空航天科学与工程学院先进陶瓷纤维与复合材料实验室，长沙410073

摘要

通过溶胶渗透加热（SIH）方法制备了三维碳纤维增强Y₂Si₂O₇复合材料（3D-C_f/Y₂Si₂O₇），使用了层压并缝合的碳布预成型体，该预成型体经过Y₂O₃-SiO₂溶胶的渗透处理。该复合材料的密度为2.68 g/cm³，比纯Y₂Si₂O₇陶瓷降低了33.8%的质量。机械性能测试显示其具有优异的性能：抗弯强度为334 ± 18.1 MPa，断裂韧性为17.4 ± 0.7 MPa·m^1/2，断裂能为15.3 ± 1.3 kJ·m^-2。这些数值分别比未增强的Y₂Si₂O₇陶瓷提高了258.1%、861.4%和3686.7%。此外，该材料在惰性环境中表现出优异的热稳定性；经过1500 °C下1小时的热处理后，抗弯强度、模量和断裂能的保留率分别为105.7%、109.1%和123.3%，显示出良好的高温韧性。微观结构分析表明材料进一步烧结致密化，内部缺陷减少，并从β-Y₂Si₂O₇相转变为γ-Y₂Si₂O₇相，且体积变化不大。然而，在5小时的热处理后，由于基体过度烧结、晶粒粗化、微裂纹形成、孔隙产生以及SiO₂在纤维表面的迁移蚀刻，材料的机械性能显著下降。尽管如此，复合材料仍保持了良好的完整性，证明了其作为高温航空航天热部件的潜力。

引言

在高速航空航天系统中，开发能够承受极端热机械载荷的材料仍然是一个关键挑战[1]、[2]、[3]。这一点对于在大气层到近空间范围内以高超音速（马赫数5-7）运行的飞行器的热部件（如前缘、控制面和推进单元）尤为重要。在这些条件下，持续的空气动力加热会导致材料表面温度达到1200°C至1500°C。因此，候选材料不仅需要具有高的比强度和刚度，还需要具备优异的长期热稳定性、最小的热降解以及可靠的循环热载荷性能[4]、[5]、[6]、[7]。 在硅酸盐基陶瓷家族中，钇硅酸盐（Y₂Si₂O₇）因其高熔点（>1700°C）、低二氧化硅活性以及与常见耐火纤维的良好化学相容性而成为一种有前景的基体材料[8]、[9]、[10]、[11]、[12]。这些特性使其成为氧化或腐蚀性高温环境中的潜在候选材料。然而，像大多数单体陶瓷一样，Y₂Si₂O₇存在固有的脆性和低断裂韧性，这严重限制了其在机械或热冲击下的耐损伤性和可靠性[8]、[13]、[14]、[15]。 为了解决陶瓷的脆性问题，人们广泛开发了纤维增强陶瓷基复合材料（CMCs）[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]。通过引入连续纤维，CMCs获得了伪延性破坏行为、显著提高的断裂能和增强的抗热冲击能力。在各种增强材料中，碳纤维结合了高比强度、适中的成本和可调节的热物理性能。碳纤维增强的CMCs（如C/SiC和C/SiOC）已在热结构应用中得到成功验证。然而，大多数这些系统依赖于二维（2D）层压结构，这种结构在平面外或剪切应力作用下容易发生层间剥离。 这一限制推动了三维（3D）纤维结构的采用，特别是通过缝合编织织物层制成的结构。贯穿厚度的缝合有效地将各层固定在一起，大大提高了层间剪切强度和抗剥离能力[17]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]。虽然3D缝合碳布预成型体已在C/SiC等系统中得到应用，但它们与Y₂Si₂O₇基体的结合仍大多未被探索。鉴于Y₂Si₂O₇独特的高温稳定性，3D缝合碳布增强Y₂Si₂O₇（3D-C_f/Y₂Si₂O₇）复合材料可能提供一种新的材料解决方案，有望弥合碳纤维CMCs的耐损伤性与稀土硅酸盐的高温性能之间的差距。 为了使这种复合材料适用于高超音速应用，必须充分了解其在工作温度（1200-1500°C）下的稳定性[1]、[2]、[3]、[26]、[27]。控制面和机翼等部件不仅在短暂的热冲击下，而且在长时间的巡航过程中都必须保持结构完整性。高温下的降解机制可能涉及纤维-基体界面的演变、基体结晶或相变以及微裂纹的形成，所有这些都可能导致机械性能逐渐恶化。重要的是，在实际飞行条件下，热效应与氧化环境相互耦合。然而，为了分离这些复杂因素并首先建立基本基准，从方法论上讲，必须单独研究材料在惰性气氛中的行为。这种方法使我们能够清晰地识别温度对机械性能、物理微观结构和化学成分的变化，而不受氧化的并发和混淆影响。建立这一基准是后续在复合环境中的研究的必要前提，因为它将为区分实际使用过程中的热降解机制和氧化机制提供更清晰的框架。 鉴于上述情况，本研究的目标是：（1）利用缝合结构增强韧性，通过溶胶渗透加热（SIH）工艺制备3D-C_f/Y₂Si₂O₇复合材料；（2）表征其在室温下的基本机械性能；（3）系统研究其在高达1500°C的惰性条件下的短期和长期热稳定性。将通过多方面的分析，详细跟踪和关联机械性能的变化、微观结构特征（如纤维-基体界面、基体裂纹、孔隙率）和相组成。通过这项研究，旨在深入理解3D-C_f/Y₂Si₂O₇复合材料的热降解途径，从而评估其在下一代高超音速热防护系统中的潜力，这些系统要求同时具备高耐损伤性和长期热稳定性。

材料与制备过程

复合材料的制备过程如图S1所示。采用溶胶-凝胶浸渍技术制备了浸渍预成型体，使用三维缝合碳布作为增强材料。最终复合材料通过在氩气气氛中1300 ℃下进行23个循环的高温热处理（每个循环1小时）获得。Y₂O₃-SiO₂溶胶的基本参数如图S2所示。最终致密的3D-C_f/Y₂Si₂O₇复合材料的碳纤维体积分数为...

3D-C_f/Y₂Si₂O₇复合材料在室温下的机械性能、物理微观结构和化学成分

图1(a)展示了该复合材料的伪延性破坏特性。定量机械分析表明，其抗弯强度为334 ± 18.1 MPa，断裂应变为1.39%，平均抗弯模量为56.6 ± 3.1 GPA。断裂韧性和断裂能为17.4 ± 0.7 MPa·m^1/2和15.3 ± 1.3 kJ·m-2》。这些结果的极低统计方差突显了材料机械性能的优异重复性。

结论

本研究通过溶胶渗透加热（SIH）工艺成功制备了一种新型的3D-C_f/Y₂Si₂O₇复合材料。该复合材料的密度为2.68 g/cm³（比纯Y₂Si₂O₇低33.8%），表现出显著增强的机械性能：抗弯强度为334 ± 18.1 MPa，断裂韧性为17.4 ± 0.7 MPa·m^1/2，断裂能为15.3 ± 1.3 kJ·m-2》。这些数值分别比未增强的Y₂Si₂O₇陶瓷提高了258.1%、861.4%和3686.7%。 ...

CRediT作者贡献声明

彭正：验证、形式分析。 郭雷：撰写——初稿、方法论。 王卫明：软件、数据管理。 邓桂航：可视化、验证、数据管理。 张伟：验证、软件、资金获取。 朱庚凯：研究、形式分析、数据管理。 曾宽红：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、软件、研究、数据管理。 马青松：撰写——审稿与编辑、资源协调、资金获取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了湖南省芙蓉科技创新人才计划（项目编号2025RC1044）、中国自然科学基金（项目编号2024JJ6043）以及国家先进复合材料科学技术重点实验室科学基金（项目编号JCKYS2024603C010）的支持。