灰重石コーティングを施したSiCf/SiCミニ複合材料の界面特性

Scientific Reports volume 12、記事番号: 21950 (2022) この記事を引用

754 アクセス

メトリクスの詳細

灰重石 (CaWO4) 界面コーティングを備えた一方向性 SiCf/SiC ミニ複合材料を、前駆体浸透および熱分解法によって作製しました。 ＳｉＣｆ／ＳｉＣミニ複合材料の破面分析により、弱い繊維／マトリックス結合がＣａＷＯ４界面によって提供され得ることが示された。 さらに、SiCf/CaWO4/SiC ミニコンポジットの界面剥離応力を繊維押し出し試験によって評価し、80.7 ± 4.6 MPa と推定されました。 1000〜1100℃での酸化後のSiCf/CaWO4/SiCミニ複合体のその場引張SEM観察を実施し、1300℃での熱処理後のCaWO4界面コーティングとSiC繊維またはマトリックスとの間の熱適合性を調査した。

脆いセラミックマトリックスに強化繊維を組み込むと、セラミックマトリックス複合材（CMC）、通常はSiC繊維強化SiCマトリックス複合材（SiCf/SiC）にある程度の擬似延性が与えられ、繊維の剥離などのいくつかのメカニズムによる致命的な破損が防止されます。 、繊維の滑りと亀裂の橋渡し。 SiCf/SiC 複合材料は、超音速輸送、スペースプレーン、核融合炉などの過酷な環境での用途に耐久性のある有望な材料であると考えられています 1、2、3。 繊維とマトリックスの界面ゾーン内のマトリックスの亀裂の偏りは、マトリックスの製造前に繊維上に柔軟な材料のコーティング層を堆積することによって実現および制御されます4、5、6。 最も効果的な界面コーティングは、PyC または BN コーティングであると考えられています7、8、9。 しかし、SiCf/SiC 複合材料の用途は、特に中間温度での繊維/マトリックス界面での PyC または BN コーティングの酸化による、酸化環境における機械的特性の劣化によって制限されます 4, 10。

希土類オルトリン酸モナザイト (LaPO4) などの代替の耐酸化性界面材料は、層状結晶構造と塑性変形の可能性により、CMC の耐酸化性繊維マトリックス界面として考慮されています。 LaPO4 界面に関する研究では、低温での機械的応力下で双晶化や転位によって変形する可能性があることが示されました 11、12、13。 しかし、SiC14、15 とは熱力学的に非相溶性であることが判明しました。相溶性と耐酸化性の両方が、空気中での CMC の長期間の適用を保証する界面コーティングにとって重要です。 シャンムガムら。 らは、SiCf/SiC 複合材料中のムライト界面が、1000 °C で 24 時間空気中にさらされた後でも亀裂を偏向させることを示しました16。 リーら。 SiC/SiC 複合材料に対する多層 SiO2/ZrO2/SiO2 酸化物コーティングの使用を実証しました。 複合材料の強度と亀裂のたわみは、空気中で 960 °C で 10 h17 酸化した後も保持されました。 シーライト（CaWO4）は、（WO4）四面体と8配位のCaサイトからなる層状構造を持ち、結晶の劈開は（101）面で報告されています。 灰重石（CaWO4）の層状結晶構造と塑性変形の可能性により、灰重石（CaWO4）は SiCf/SiC 複合材料のもう 1 つの潜在的な界面材料となります 18、19、20、21、22。 これまでのところ、SiCf/SiC 複合材料の界面コーティングとしての灰重石材料の製造やその効果に関する調査は行われていません。

この研究では、前駆体浸透熱分解 (PIP) 法によって一方向性 SiCf/CaWO4/SiC ミニ複合材料を調製しました。 CaWO4 界面コーティングの有効性は、CaWO4 界面コーティングありとなしの SiCf/SiC 複合材料の破面解析を比較することによって調査されました。 複合材料の界面特性は、繊維押し出し試験によって定量的に特徴付けられました。 酸素が豊富な環境における CaWO4 界面コーティングの耐酸化性を評価するために、SiCf/CaWO4/SiC 複合材料を 1000 ～ 1100 °C で酸化しました。 さらに、SiCf/CaWO4/SiC 複合材料を 1300 °C で熱処理して、CaWO4 界面コーティングと SiC 繊維またはマトリックスとの適合性を調査しました。