Proprietà interfacciali di minicompositi SiCf/SiC con rivestimento in scheelite

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 21950 (2022) Citare questo articolo

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Il minicomposito unidirezionale SiCf/SiC con un rivestimento interfase di scheelite (CaWO4) è stato fabbricato attraverso il metodo di infiltrazione del precursore e pirolisi. La frattografia dei minicompositi SiCf/SiC ha indicato che un debole legame fibra/matrice può essere fornito dall'interfase CaWO4. Inoltre, lo stress da distacco interfacciale del minicomposito SiCf/CaWO4/SiC è stato valutato attraverso il test di push-out delle fibre e stimato essere pari a 80,7 ± 4,6 MPa. È stata effettuata l'osservazione SEM di trazione in situ del minicomposito SiCf/CaWO4/SiC dopo l'ossidazione a 1000–1100 °C ed è stata studiata la compatibilità termica tra il rivestimento interfase CaWO4 e la fibra o matrice SiC dopo il trattamento termico a 1300 °C.

L'incorporazione di fibre di rinforzo in una fragile matrice ceramica fornisce un grado di pseudo-duttilità ai compositi a matrice ceramica (CMC), tipicamente il composito a matrice SiC rinforzata con fibra SiC (SiCf/SiC), prevenendo guasti catastrofici attraverso diversi meccanismi, come il distacco delle fibre , scorrimento delle fibre e crack bridging. I compositi SiCf/SiC sono considerati materiali promettenti durevoli per applicazioni ambientali severe come il trasporto supersonico, gli aerei spaziali e i reattori a fusione1,2,3. La deviazione delle crepe della matrice all'interno della zona interfase fibra-matrice viene realizzata e controllata mediante la deposizione di uno strato di rivestimento di un materiale cedevole sulle fibre prima della fabbricazione della matrice4,5,6. Il rivestimento interfase più efficace è considerato il rivestimento PyC o BN7,8,9. Tuttavia, l’applicazione dei compositi SiCf/SiC è limitata dal degrado delle proprietà meccaniche in ambienti ossidanti, a causa dell’ossidazione del rivestimento PyC o BN all’interfaccia fibra/matrice, in particolare a temperature intermedie4, 10.

Materiali interfase alternativi resistenti all'ossidazione come la monazite ortofosfato di terre rare (LaPO4) sono stati considerati come interfasi a matrice fibrosa resistente all'ossidazione per CMC a causa della struttura cristallina stratificata e della possibilità di deformazione plastica. Gli studi sull'interfase LaPO4 hanno dimostrato che potrebbe deformarsi sotto sollecitazioni meccaniche a basse temperature mediante geminazione e dislocazione11,12,13. Tuttavia, è risultato termodinamicamente incompatibile con SiC14, 15. Sia la compatibilità che la resistenza all'ossidazione sono importanti affinché il rivestimento interfase garantisca l'applicazione a lungo termine dei CMC nell'aria. Shanmugham et al. hanno mostrato che un'interfase di mullite nei compositi SiCf/SiC deviava le cricche anche dopo l'esposizione all'aria a 1000 °C per 24 ore16. Lee et al. hanno dimostrato l'uso di rivestimenti multistrato di ossido SiO2/ZrO2/SiO2 per i compositi SiC/SiC. La resistenza del composito e la deflessione delle cricche sono state mantenute dopo l'ossidazione in aria a 960 °C per 10 ore17. La scheelite (CaWO4) ha una struttura stratificata costituita da tetraedri (WO4) e siti Ca otto coordinati e la scissione del suo cristallo è stata segnalata su piani (101). La struttura cristallina stratificata e la possibilità di deformazione plastica della scheelite (CaWO4) ne fanno un altro potenziale materiale interfase per i compositi SiCf/SiC18,19,20,21,22. Finora, la fabbricazione di materiali scheelite come rivestimento interfase nel composito SiCf/SiC e lo studio dei suoi effetti non sono stati esplorati.

In questo lavoro, il minicomposito unidirezionale SiCf/CaWO4/SiC è stato preparato attraverso il metodo di infiltrazione e pirolisi dei precursori (PIP). L'efficacia del rivestimento interfase CaWO4 è stata studiata confrontando la frattografia dei compositi SiCf/SiC con e senza rivestimento interfase CaWO4. La proprietà interfacciale dei compositi è stata caratterizzata quantitativamente mediante test di push-out delle fibre. I compositi SiCf/CaWO4/SiC sono stati ossidati a 1000–1100 °C per valutare la resistenza all'ossidazione del rivestimento interfase CaWO4 in ambienti ricchi di ossigeno. Inoltre, i compositi SiCf/CaWO4/SiC sono stati trattati termicamente a 1300 °C per studiare la compatibilità tra il rivestimento interfase CaWO4 e la fibra o matrice SiC.