SiC纤维增强复合材料界面微观结构的Raman光谱研究

SiC纤维增强复合材料界面微观结构的Raman光谱研究 SiC 纤维增强复合材料界面微观结构的 3 Raman 光谱研究 杨序纲袁象恺王依民 ( ) 东华大学材料学院 上海 200051 王鸿华 ( ) 上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室 上海 200030 ( ) 文 摘使用 Raman 显微技术 Raman microscopy研究了 SiC 纤维增强碳化硅 、J G6 玻璃和 Pyrex 玻璃复 合材料界面的微观结构 。研究 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明 ,复合材料的制造过程使纤维内自由碳颗粒的大小增大 ,尤其是在界面层 两种玻璃基复合材料制造过程使原纤维富含 SiO的表面层消失 ,而且发生了界面层碳结构的有序化 。2 关键词 微观结构 ,SiC 纤维 ,复合材料 ,拉曼光谱 Raman Spectroscopy Study on Interfacial Microstructures of SiC Reinforced Composites Yang Xugang Yuan Xiangkai Wang Yiming ( )College of Materials Science and Engineering ,China Textile University Shanghai 200051 Wang Honghua ( ) State Key Laboratory of MMCs ,Shanghai Jiaotong University Shanghai 200030 Abstract Raman Microscopy was employed to investigate the interfacial microstructure of SiC fibers to reinforce silicon carbide ,J G6 glass and Pyrex glass matrixes. It is found that fabrication processing may result in disappearance of rich - silica sheath of the fibers in both SiC/ J G6 and SiC/ Pyrex composite , and growth of free2carbon grains in the fibers for the three ceramic based composite , especially in the fiber surface layer for both glass based composites. It is also found that a considerable ordering of carbon structure in the interface layer was formed after fabrication for both SiC/ glass composites. Key words Microstructure , SiC fiber , Composite , Raman spectroscopy 1 前言SiC 纤维有着很好的力学性能又具有高温下起来的 在宇航工业中常常要求材料在氧化环境中 ,在 极好的抗氧化特性 。以这种纤维增强的陶瓷基复合 1 2 高温下保持良好的力学性能 。纤维增强陶瓷基复合 材料 ,例如 SiC / 玻璃,SiC / 玻璃 - 陶瓷和 SiC / 3 材料在这方面有着光明的前景 。70 年代中期发展SiC, 从 80 年代起获得了令人注目的发展 。这些 收稿日期 :1998 - 12 - 17 3 国家自然科学基金资助项目 29 874 030 杨序纲 ,1938 年出生 ,研究员 ,主要从事耐高温纤维、复合材料的研究工作 10 的浓度 。最近 Schreck 等使用质谱和 X 光光电子材料具有低密度并且在高温下保持高强度和高断裂4 ,8 谱技术得出在 Nicalon 纤维的生产过程中纤维表面 ,已 韧性等特性 。本文作者及一些研究工作者11 形成了一层 SiO外套 。Maniettend 等使用 TEM 经报道了它们的微观结构 ,主要使用电子显微技术 。 2 也发现纤维表面有一厚度为 20 nm 的无定形 SiO 本文介绍使用 Raman 光谱术研究这类复合材料 ,特 2- 1别是它们的界面微观结构的结果 。 层 。SiO层的存在可能是原始纤维表面 830 cm 峰 2 2 实验低强度的原因 。由此可以得出 SiC/ 玻璃复合材料 2. 1 材料的制造过程引起了纤维表面富含 SiO外壳的消失 。 2 () 所研究的材料即有 SiC 纤维 Nicalon增强 SiC 表面层 SiO与玻璃之间在制造过程高温下的化学 2 ( ) ( ) ( SiC / SiC、J G6 玻璃 SiC / J G6和 Pyrex 玻璃 SiC / 反应可能是 SiO层消失的原因 。2 ) Pyrex复合材料 。SiC / SiC 是厚度为 2 . 8 mm 的板 材 ,由双向交织 SiC 纤维经 CVD 技术沉积 SiC 基体 而制得 。SiC / J G6 和 SiC / Pyrex 是由单向排列的 SiC 纤维分别增强 J G6 和 Pyrex 玻璃而得 。J G6 是一种 7 镁铝硅酸盐玻璃,这种复合材料也呈板材形 ,厚度 分别为 2 . 1 mm 和 0 . 5 mm 。SiC / J G6 是一种预压制 材料 ,陶瓷化后成为玻璃 - 陶瓷基复合材料 。 2 . 2 Ra man 光谱术 使用 Raman 显微系统获得上述复合材料中纤 ( ) 维表面 界面和纵截面的 Raman 光谱 , 以波长为 488 nm 的氩离子激光作为激光光源 。激光被显微 μμ光学系统聚焦于纤维表面或截面上 1 m,2 m 的 区域 。从纵向截面测得的结果是纤维内部性质的表 (征 。作为比较 ,将相同纤维包埋于环氧树脂 Araldite ) L Y1927中 ,形成 SiC/ Resin ,同时测定纤维表面和截 面的 Raman 光谱 。树脂在室温下固化 ,由于固化时 的低温和树脂的化学稳定性 ,纤维能保持原有的微 观结构 。 图 1 SiC / J G6 、SiC / Pyrex 和 SiC / Resin 中 纤维表面的拉曼光谱 3 结果和讨论?SiC / J G6 ; ?SiC / Pyrex ; ?SiC / Resin 。 测试结果表明 , 使用上述实验条件能获得在- 1文献12 已经指出石墨单晶仅引起 1 600 cm - 1- 1 700 cm 到 1 720 cm 范围内来自纤维表面和截面 ( ) E Raman 峰 , 而多晶石墨会引发一附加的 1 350 2g的 Raman 光谱 。由于 SiC 基体的不透明 ,无法得到 - 1 ( )cm A 峰 。后一峰对应于石墨晶格的振动模式 , SiC / SiC 中纤维表面的光谱 。图 1 显示 SiC / J G6 、1g - 1 SiC / Pyrex 和 SiC / Resin 中纤维表面的拉曼光谱 。 只在晶体边界上获得了 Raman 活性 。1 350 cm 和- 1图中可见所有光谱有相似的外形 , 显示了 3 个 Ra2 1 600 cm 峰强度的比值 R 直接相关于样品中晶体 - 1- 1() man 峰 ,两个分别位于 1 350 cm 和 1 600 cm 的宽 边界的多少 即晶粒大小。而且 R 反比于石墨平 峰来源于纤维中的自由碳 ,而纤维中的 SiC 引起 830 ( ) 面上晶体直径 L a的平均值 。R 和 1/ L a 之间的线 性关系可用图形表示 。使用这一关系测定复合材料 - 19 cm 峰。 中纤维表面和内部碳晶粒的大小 ,结果列于表 1 。 测试发现两玻璃基复合材料纤维表面的 830 表 1 陶瓷基和树脂基复合材料中- 1cm 峰强度与纤维内部峰强度相近 ,但大大地高于 nm Nicalon 纤维碳晶粒的大小 6 树脂中纤维表面的峰强度 。我们先前的工作指 SiC / SiC SiC / J G6 SiC / Pyrex SiC / Resin 位置 - 1出 ,对于原始纤维 ,纵截面的 830 cm 峰强度显著地 ( ) 表面界面4 . 9 ?0 . 4?0 . 4?0 . 3- 5. 9 3 . 3 大于纤维表面 , 并将这个事实归因于纤维表面层 4. 1 ?0 . 4 4 . 2 ?0 . 4 4. 4 ?0 . 3 3 . 6 ?0 . 3 内部 SiC 的低浓度 。现在的发现可以解释为原始纤维表 表中可见在两个玻璃基复合材料中纤维表面层 面 SiC 的浓度显著地低于复合材料中纤维表面 SiC 宇航材料工艺 1999 年 第 5 期 — 61 — 于树脂中纤维 。这意味着复合材料的制造过程引起Raman 显微技术不仅能用于陶瓷本研究证明 15 纤维石墨晶粒大小的增长 ,尤其是在 SiC/ Pyrex 的表 纤维增强陶瓷复合材料的微观力学,而且也能用 4 ,5 面层 。Lewis 和 Bleay等已经报道在 Nicalon/ 玻璃 于它们的微观结构研究 。就我们所知 , 目前 Raman 的制造过程中在纤维表面有一个碳离析过程 。现在 显微技术是获得上述某些测量结果 ,例如陶瓷基复 发现的纤维表面层有较大石墨颗粒似乎直接与这个 合材料中界面碳晶粒大小的唯一 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 。过程有关 。据此我们认为在制造过程中纤维表面存 4 结论在污染或结构缺陷处 ,因纤维和基体之间的界面反 () 1 所 研 究 的 复 合 材 料 在 制 造 过 程 中 引 起 应而伴随有碳的成粒过程 。Raman 显微技术对碳纤 ( ) Nicalon 纤维结构变化 , 尤其是在纤维表面 界面, - 1- 113 ,14 对玻璃基复合材料原始纤维富含 SiO的外壳消失 指出 ,1 600 cm 和 1 350 cm 的半高维的研究2 了 ,碳结构发生有序变化而且碳晶粒大小显著增长 。峰宽度与碳结构有关 。碳结构的无序会引起半高峰- 1- 1宽增大 ,而且 1 600 cm 比 1 350 cm 峰更敏感 。现 三种复合材料纤维内部碳晶粒也增大但碳结构的完 在用这种关系表征 SiC 纤维中自由碳结构的完善 善性方面没有大的变化 。性 。表 2 和表 3 分别列出复合材料和树脂中纤维表 () 2Raman 显微技术是研究陶瓷纤维增强陶瓷 面和内部两个峰的半高宽 。 基复合材料的有用方法 。 表 2 陶瓷基和树脂基复合材料中纤维截面 参考文献- 1 () 1 Prewo K M , Brennan J J . J . Mater. Sci . ,1982 ;174: cm Ra man 峰的半高峰宽度 - 1- 11 201,1 206 复合材料 1 350 cm 峰1 600 cm 峰 2 Brennan J J , Prewo K M . J . Mater. Sci . , 1982 ; 17 SiC / SiC 70 . 3 ?6 . 8?4 . 150 . 0 () 8:2 371,2 383 73 . 8 ?7 . 0 48 . 2 ?4 . 0 SiC / J G6 3 Veltri R D , Condit D A , Galasso F S. J . Amer. Ceram. 70 . 2 ?7 . 2 47 . 1 ?6 . 0 () Soc . ,1989 ;72 2:478,482 SiC / Pyrex 72 . 5 ?6 . 5 47 . 5 ?4 . 5 4 Lewis M H , Murthy V S R. Comp . Sci . Tech. , 1991 ; 42 SiC / Resin () 1,3:221,229 () 5 Bleay S M , Scott V D. J . Mater. Sci . , 1991 ;268:2 229 表 3 陶瓷基和树脂基复合材料中纤维表面 ,2 239- 1 Ra man 峰的半高峰宽度cm () 6 Yang X , Young R J . J . Mater. Sci . , 1993 ;289:2 536 - 1- 1 复合材料 1 350 cm 峰1 600 cm 峰 ,2 542 SiC / SiC - - () 7 Yang X , Young R J . Brit Ceram. Trans. , 1994 ;931:1 85 . 8 ?8 . 8 ?5 . 5 49 . 5 SiC / J G6 ,10 66 . 3 ?7 . 2 46 . 5 ?4 . 9 8 Wang Yiming , Yang Xugang , Wang Yong. J . China Textile SiC / Pyrex 85 . 7 61 . 1 ?7 . 1 ?5 . 1 ( ) () University English Edition, 1997 ;14 4:13,17SiC / Resin 9 Sasaka Y , Nishina Y , Soto M. J . Mater. Sci . , 1987 ;22 () 2:443,448 由表 2 可见两种基体中纤维的截面半高峰宽10 Schreck P H , Vix2Guteri C , Ehrburger P. J . Mater. - 1- 1度 ,对 1 600 cm 峰或者 1 350 cm 峰都没有什么大 () Sci . , 1992 ;27 15:4 237 ,4 243,4 246 () 11 Maniettend Y , Berlin O . J . Mater. Sci . , 1989 ;249: 的不同 ,说明制造过程对纤维内部自由碳的结构完 3 361,3 370 善性没有什么大的影响 。然而表 3 指出制造过程引 () 12 Tuinstra E , Koenig J I. J . Chem. Phys. , 1970 ;533: 起 Raman 峰的变窄 。两个玻璃基复合材料中纤维 1 126,1 130- 1表面的 1 600 cm 峰半高宽显著地比树脂中纤维的 13 Chien C , Dresselhans O , Endo M. Phys. Rev. , 1982 ; 小 。这表明玻璃基复合材料的制造过程使纤维与 () 26 12:5 867,5 870基体间界面的碳结构发生有序化 。表中也可见到 14 Fitzer B , Ganter E , Rozploch F. High Temp . High - 1对 1 350 cm 峰 SiC/ Pyrex 发生显著变窄 ,而 SiC/ J G6 () Press , 1987 ;9 5:537,544 则没有变化 。这可能与前面提到的峰宽对碳结构完 15 Yang Xugang , Bannister D J , Young R J . J . Amer. - 1- 1Soc . , 1996 ;79 :1 868,1 875 整性的敏感度 1 350 cm 峰比 1 600 cm 要低得多 ,