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掃描電鏡在陶瓷基復(fù)合材料中的應(yīng)用

復(fù)納科技 2023-11-17 | 閱讀：707

掃描電鏡觀察陶瓷基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)

掃描電鏡觀察陶瓷基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)

掃描電鏡作為一種先進(jìn)的顯微鏡技術(shù)，在材料科學(xué)領(lǐng)域中展現(xiàn)了無限的可能性。特別是在陶瓷基復(fù)合材料的研究中，不僅帶來了豐富的信息，還揭開了該領(lǐng)域的未知領(lǐng)域，為科學(xué)家們提供了新的突破口。

首先，掃描電鏡在陶瓷基復(fù)合材料的表面分析中發(fā)揮著重要作用。而掃描電鏡通過高分辨率的成像能力，可以展示材料表面結(jié)構(gòu)等微觀特征和納米級細(xì)節(jié)。研究人員可以觀察到陶瓷基復(fù)合材料中不同組分的分布情況

其次，掃描電鏡還可以用于研究陶瓷基復(fù)合材料的晶體結(jié)構(gòu)。通過電子衍射技術(shù)，掃描電鏡可以確定材料的晶格結(jié)構(gòu)和晶體取向，進(jìn)一步了解材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)和相變過程。這對于理解材料的性能、改進(jìn)制備工藝以及探索新的材料體系都具有重要意義。

此外，掃描電鏡還可以進(jìn)行成分分析和能譜檢測。通過能譜儀的輔助，可以定量地測量材料中各個元素的含量，并判斷元素的化學(xué)狀態(tài)和分布情況。這對于評估材料的成分均一性、化學(xué)反應(yīng)和界面反應(yīng)等方面都非常重要，為陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)用提供了有力支持。

關(guān)于陶瓷基符合材料

CMC（連續(xù)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料）是近十余年才開始較大范圍使用的新材料，其能夠克服傳統(tǒng)陶瓷的疲勞特性問題，同時利用陶瓷基復(fù)合材料固有的耐高溫、高硬度性能，在汽車工業(yè)、航空航天等領(lǐng)域有很大的應(yīng)用潛力。

掃描電鏡下的陶瓷基復(fù)合材料

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圖2掃描電鏡下CMC-SiC 纖維結(jié)構(gòu)圖

從掃描電鏡拍下的照片中可以看到CMC-SiC 中纖維單絲表面的均勻納米尺度界面層是實現(xiàn)材料強(qiáng)韌化的關(guān)鍵，構(gòu)成了連續(xù)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料特有的力學(xué)性能特征，使 CMC-SiC具有類似金屬的斷裂行為，對裂紋不敏感，不發(fā)生災(zāi)難性損耗。

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圖3.掃描電鏡下CMC-SiC 材料中的裂紋偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象

CMC-SiC 常用在高推重比航空發(fā)動機(jī)的噴嘴和燃燒室，可顯著減重，提高推力室壓力和壽命，同時減少冷卻劑量，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的小型化和輕量化。CMC-SiC 的高溫力學(xué)性能優(yōu)異，氧化物的抗環(huán)境腐蝕性能更好，因此，SiC 材料是耐高溫 CMC 基體的基本組成，而氧化物是長壽命 CMC-SiC 的抗環(huán)境涂層的有效成分。利用飛納掃描電鏡 EDS 成分分析可以對 CMC 中微區(qū)的成分進(jìn)行研究，分析不同的組成體系對其性能的影響。

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圖4掃描電鏡下CMC-SiC 中不同區(qū)域成分分析

CMC-SiC 中基體和纖維都是 SiC 材料，二者熱膨脹系數(shù)匹配，熱應(yīng)力很小，物理相容性、化學(xué)相容性好。但由于兩者均為 SiC 陶瓷，二者間存在較強(qiáng)的互擴(kuò)散作用，導(dǎo)致纖維和基體間結(jié)合力過強(qiáng)，不能充分發(fā)揮纖維的增韌作用。因此，應(yīng)用中常在纖維-基材間設(shè)計一層界面層以提高復(fù)合材料的斷裂韌性。常見的界面層材料為 PyC（裂解碳）層和 BN 層，其與基材和纖維熱膨脹系數(shù)匹配、有效傳遞載荷、增強(qiáng)復(fù)合材料韌性。如下圖所示為 CMC-SiC 中的界面層觀察，在使用離子研磨儀進(jìn)行離子研磨后，利用臺式掃描電鏡可以清楚的觀察到界面層的存在并測量其厚度。

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