Propiedades interfaciales de minicompuestos SiCf/SiC con recubrimiento de scheelita

Oct 26, 2023

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 21950 (2022) Citar este artículo

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Se fabricó un minicompuesto unidireccional de SiCf/SiC con un revestimiento de interfase de scheelita (CaWO4) mediante el método de pirólisis e infiltración de precursores. La fractografía de los minicompuestos SiCf/SiC indicó que la interfase CaWO4 puede proporcionar una unión débil de fibra/matriz. Además, la tensión de desprendimiento interfacial del minicompuesto SiCf/CaWO4/SiC se evaluó a través de la prueba de expulsión de fibra y se estimó en 80,7 ± 4,6 MPa. Se llevó a cabo la observación SEM de tracción in situ del minicompuesto SiCf/CaWO4/SiC después de la oxidación a 1000–1100 °C, y se investigó la compatibilidad térmica entre el recubrimiento de interfase CaWO4 y la fibra o matriz de SiC después del tratamiento térmico a 1300 °C.

La incorporación de fibras de refuerzo en una matriz cerámica quebradiza proporciona un grado de pseudoductilidad a los compuestos de matriz cerámica (CMC), generalmente el compuesto de matriz de SiC reforzado con fibra de SiC (SiCf/SiC), lo que evita fallas catastróficas por varios mecanismos, como el desprendimiento de fibra. , deslizamiento de fibras y puenteo de grietas. Los compuestos de SiCf/SiC se consideran materiales prometedores y duraderos para aplicaciones en entornos severos, como transporte supersónico, aviones espaciales y reactores de fusión1,2,3. La desviación de las grietas de la matriz dentro de la zona de interfase fibra-matriz se realiza y controla mediante la deposición de una capa de recubrimiento de un material compatible sobre las fibras antes de la fabricación de la matriz4,5,6. Se considera que el recubrimiento de interfase más eficaz es el recubrimiento PyC o BN7,8,9. Sin embargo, la aplicación de compuestos SiCf/SiC está limitada por la degradación de las propiedades mecánicas en ambientes oxidantes, debido a la oxidación del recubrimiento de PyC o BN en la interfaz fibra/matriz, particularmente a temperaturas intermedias4, 10.

Los materiales de interfase resistentes a la oxidación alternativos, como la monacita de ortofosfato de tierras raras (LaPO4), se han considerado como interfases de matriz de fibra resistentes a la oxidación para CMC debido a la estructura cristalina en capas y la posibilidad de deformación plástica. Los estudios sobre la interfase LaPO4 demostraron que podría deformarse bajo esfuerzos mecánicos a bajas temperaturas por maclamiento y dislocación11,12,13. Sin embargo, se encontró que era termodinámicamente incompatible con SiC14, 15. Tanto la compatibilidad como la resistencia a la oxidación son importantes para el recubrimiento de interfase para garantizar la aplicación prolongada de CMC en el aire. Shanmugham et al. mostró que una interfase de mullita en los compuestos SiCf/SiC desvió las grietas incluso después de la exposición al aire a 1000 °C durante 24 h16. Lee et al. demostró el uso de revestimientos multicapa de óxido de SiO2/ZrO2/SiO2 para compuestos de SiC/SiC. La resistencia del material compuesto y la deflexión de grietas se mantuvieron después de la oxidación en aire a 960 °C durante 10 h17. Scheelita (CaWO4) tiene una estructura en capas que consta de tetraedros (WO4) y sitios de Ca coordinados ocho y se informó la división de su cristal en los planos (101). La estructura cristalina en capas y la posibilidad de deformación plástica de la scheelita (CaWO4) la convierten en otro material de interfase potencial para los compuestos SiCf/SiC18,19,20,21,22. Hasta el momento, no se ha explorado la fabricación de materiales de scheelita como recubrimiento de interfase en el compuesto SiCf/SiC y la investigación sobre su efecto.

En este trabajo, se preparó un minicompuesto unidireccional de SiCf/CaWO4/SiC mediante el método de infiltración y pirólisis de precursores (PIP). La efectividad del recubrimiento de interfase de CaWO4 se investigó comparando la fractografía de compuestos SiCf/SiC con y sin recubrimiento de interfase de CaWO4. La propiedad interfacial de los compuestos se caracterizó cuantitativamente mediante pruebas de extracción de fibras. Los compuestos SiCf/CaWO4/SiC se oxidaron a 1000-1100 °C para evaluar la resistencia a la oxidación del revestimiento de la interfase CaWO4 en entornos ricos en oxígeno. Además, los compuestos de SiCf/CaWO4/SiC se trataron térmicamente a 1300 °C para investigar la compatibilidad entre el revestimiento de interfase de CaWO4 y la fibra o matriz de SiC.

Se prepararon recubrimientos continuos de interfase CaWO4 en fibra KD-II SiC (proporcionada por NUDT, China) a través del método sol-gel. La propiedad de la fibra se puede encontrar en la referencia23. El proceso de recubrimiento detallado se describió en nuestro trabajo anterior19, 20. La temperatura de cocción optimizada de 900 ℃ y la atmósfera en Ar se utilizaron para evitar la degradación de la resistencia de la fibra durante el proceso de recubrimiento. El espesor de recubrimiento adecuado se obtuvo repitiendo el proceso de preparación del recubrimiento durante 6 ciclos.

Se prepararon minicompuestos unidireccionales de SiCf/SiC con y sin revestimiento de interfase de CaWO4 mediante el método de infiltración y pirólisis de polímeros (PIP). La estructura esquemática del minicompuesto se muestra en la Fig. 1.

Estructura esquemática del minicompuesto unidireccional SiCf/SiC.

El diagrama de flujo para la preparación de minicompuestos de SiCf/SiC se muestra en la Fig. 2. El proceso PIP utilizó policarbosilano (PCS) para formar una matriz de SiC por pirólisis a 1100 °C en Ar24. El rendimiento cerámico de PCS es de aproximadamente 81 a 85% y su temperatura de cristalización es de aproximadamente 1000 °C. La elección de la temperatura de pirólisis se basó en el equilibrio de máxima densificación de la matriz y mínima degradación de la fibra. Para el proceso de impregnación y reticulación, en primer lugar, las fibras de SiC se sumergieron en el crisol delgado que contiene PCS. Luego, el crisol se transfirió al horno de secado al vacío para completar el proceso de impregnación al vacío, donde el bombeo continuo puede garantizar una impregnación más suficiente. Después de bombear durante 2 h, el horno de secado al vacío se calentó lentamente hasta 130 °C para completar el proceso de curado de reticulación al vacío. Aparte de eso, las nanopartículas de SiC (40 nm) con una fracción de volumen del 30-40 % se introdujeron en PCS para reducir el agrietamiento por contracción de la matriz durante la pirólisis. El proceso de infiltración y pirólisis se repitió 7 veces para mejorar la densidad de los minicompuestos.

Diagrama de flujo de preparación de minicompuestos SiCf/SiC.

La composición de los haces de fibra de SiC recubiertos con CaWO4 se examinó mediante difractometría de rayos X (XRD, Ultimo IV, Riau, Japón). La morfología de las fibras de SiC recubiertas y los minicompuestos de SiCf/SiC se investigó mediante microscopía electrónica de barrido (SEM, Inspect F50, FEI) equipada con espectroscopía de dispersión de energía (EDS). La porosidad y la densidad de los minicompuestos SiCf/SiC se midieron mediante el método de drenaje de Arquímedes.

La observación SEM in situ durante las pruebas de tracción de los compuestos SiCf/SiC se realizó utilizando un SEM (Lyra3 GMU, Tescan, República Checa) en combinación con una etapa de tracción in situ (MTEST5000W, GATAN, Reino Unido) para investigar el comportamiento de fractura de los compuestos Las muestras compuestas utilizadas para los ensayos in situ tenían un tamaño aproximado de 1 × 2 × 15 mm, con sus extremos incrustados en resina epoxi, y el área utilizada para la observación in situ era de aproximadamente 2 × 4 mm. Las muestras primero se rociaron con oro (10 mA, 15 s, espesor de película de oro de aproximadamente 2 nm) para aumentar la conductividad eléctrica antes de colocarlas en el SEM, y luego las muestras se fijaron en el accesorio de etapa de tracción (Fig. 3). En el ensayo de tracción in situ, la plataforma usó un modo de control de desplazamiento, es decir, la velocidad de carga del motor fue de 0,1 mm/min hasta la fractura. El taco de imágenes SEM se llevó a cabo utilizando un detector de electrones retrodispersados ​​con una distancia de trabajo de 30 mm, un voltaje de 10 kV y una corriente de haz de 1 nA. Se empleó un módulo de adquisición automática de imágenes con un tiempo de adquisición de una sola imagen de aproximadamente 3,2 sy un intervalo de 0 s. El aumento elegido para la observación in situ fue pequeño, lo que puede garantizar que la muestra siempre estuvo dentro del campo de visión durante el proceso de tracción. Después de que la muestra se fracturó, el SEM aún adquirió varias fotografías para garantizar que se pueda observar todo el proceso de estiramiento.

Observación SEM de tracción in situ del minicompuesto SiCf/SiC: (a) muestra y (b) plataforma de tracción.

Se llevaron a cabo pruebas de extracción de fibras individuales para caracterizar cuantitativamente la propiedad interfacial de los minicompuestos SiCf/SiC. Los minicompuestos primero se trituraron y pulieron a 100–300 μm, y luego la rebanada se fijó a la escama de grafito con una ranura. Se ha informado que el grosor del composite no afecta la estimación de la tensión de descementado interfacial25. Por último, se utilizó la nanoindentación G200 de Agilent Technologies para empujar la fibra única en los compuestos. La carga máxima es de 1000 mN.

Para evaluar el rendimiento potencial de la interfase CaWO4 en un entorno oxidante a alta temperatura, los minicompuestos SiCf/CaWO4/SiC se oxidaron a 1000–1100 °C en aire durante 10 h y 50 h en el horno de mufla (SXL-1400). Además, los compuestos se trataron térmicamente a temperaturas más altas de 1200–1300 °C durante 10 h y 50 h en el aire para investigar la compatibilidad entre el recubrimiento de CaWO4 y el SiC.

De acuerdo con el análisis XRD de la fibra de SiC recubierta con CaWO4 que se muestra en la Fig. 4, solo se identificó CaWO4 además de la fase β-SiC que se origina en la fibra de SiC subyacente, lo que sugiere que el recubrimiento de interfase preparado es CaWO4 puro.

Patrón XRD de fibra de SiC recubierta de CaWO4.

La figura 5 muestra la morfología de la superficie de la fibra de SiC recubierta. Junto con XRD, se puede confirmar que el recubrimiento de interfase de CaWO4 se preparó con éxito en fibras de SiC. Si se compara con el revestimiento de interfase fabricado por métodos de CVD, por ejemplo, el revestimiento de BN en7, el revestimiento de interfase de CaWO4 preparado por el método de so-gel es relativamente más áspero.

Morfología superficial de fibra de SiC recubierta de CaWO4.

El tamaño del minicompuesto unidireccional SiCf/SiC preparado por el método PIP es de aproximadamente 2 × 3 × 20 mm. La vista de la sección transversal de los minicompuestos de SiCf/SiC (imágenes de electrones retrodispersados ​​por SEM) con y sin el recubrimiento de interfase de CaWO4 se muestra en la Fig. 6. Como se muestra en las Figs. 5, 6, existen regiones alrededor de la fibra sin recubrimiento de interfase. Las grietas de lodo observadas a menudo en compuestos preparados por el método PIP26 también se encontraron en los minicompuestos SiCf/SiC actuales, como se muestra en la Fig. 6. Según la Fig. 6c, d, en el área recubierta, los recubrimientos de interfase de CaWO4 tienen un espesor en el rango de 200 a 600 nm.

Vista de sección transversal de minicompuestos SiCf/SiC: (a,b) sin recubrimiento de interfase y (c,d) con recubrimiento de interfase CaWO4.

La densidad de los minicompuestos de SiCf/SiC con y sin el revestimiento de interfase de CaWO4 es de aproximadamente 2,16 g/cm3 y 2,29 g/cm3, respectivamente, y su porosidad es de aproximadamente 14,4 % y 10 %, respectivamente. La mayor porosidad de los compuestos SiCf/SiC con el recubrimiento interfacial CaWO4 probablemente se deba a su influencia en la eficiencia de impregnación de PCS. La distribución del revestimiento de interfase de CaWO4 preparado a través del método sol-gel es relativamente aleatoria y puede acumularse en la superficie de la fibra, lo que puede obstruir la impregnación de PCS. La menor eficiencia de impregnación de PCS puede hacer que se llene menos matriz de SiC dentro del haz de fibra, lo que conduce a una mayor porosidad del minicompuesto de SiCf/SiC.

Como una de las funciones principales del recubrimiento de interfase es dar pseudoplasticidad a los compuestos, es necesario estudiar el comportamiento de fractura del compuesto modificado en interfase. Como las muestras de minicompuestos preparadas eran demasiado pequeñas para llevar a cabo pruebas de tracción macroscópicas confiables, el efecto del recubrimiento de la interfase de CaWO4 en el comportamiento de fractura de los minicompuestos de SiCf/SiC se investigó principalmente comparando la fractografía SEM del compuesto con y sin la interfase. Las superficies de fractura de los minicompuestos se muestran en la Fig. 7. Las superficies de fractura del minicompuesto se generaron a través de la prueba de tracción in situ como se describe en la sección experimental. Se obtuvieron superficies de fractura planas para el minicompuesto sin revestimientos de interfase, y no se encontraron indicaciones de deflexión de grietas en la interfaz fibra/matriz o extracción de fibra (Fig. 7a, b). El examen SEM del minicompuesto sin el recubrimiento de interfase sugiere claramente una falla por fragilidad.

Superficie de fractura de gran aumento de minicompuestos de SiCf/SiC: (a,b) sin recubrimiento de interfase y (c,d) con recubrimiento de interfase de CaWO4.

En el caso de los minicompositos reforzados con fibras recubiertas de CaWO4, se encontró una superficie de fractura rugosa. Se observó que se producía una desunión en la interfaz fibra/matriz, y se encontraron distintas extracciones de fibra en la superficie de fractura (Fig. 7c). Además, la observación SEM mostró la formación de canales en la matriz después de la extracción de la fibra (Fig. 7d).

Al comparar la superficie de fractura de los minicompuestos SiCf/SiC con y sin recubrimiento de interfase de CaWO4, se indica que el recubrimiento de interfase de CaWO4 tiene un efecto positivo en el cambio del comportamiento de fractura de una forma frágil a una más dúctil. Cuando no hay revestimiento de interfase en la interfaz fibra/matriz, se forma una unión fuerte y, como resultado, las grietas penetran en las fibras sin deflexión durante la falla de los compuestos27,28,29. Por lo tanto, se obtuvo una superficie de fractura plana que sugiere una energía de fractura mínima. En el minicompuesto SiCf/CaWO4/SiC, la existencia del recubrimiento de interfase CaWO4 puede proporcionar una unión de interfaz más débil que promueve la desunión de la interfaz fibra/matriz y la extracción de la fibra durante la falla. En consecuencia, se formó una superficie de fractura rugosa asociada con el consumo de energías de fractura más altas.

El efecto del recubrimiento de CaWO4 sobre la propiedad interfacial de los minicompuestos se evalúa cuantitativamente mediante la prueba de expulsión de fibras. Las fibras ubicadas por encima del surco y rodeadas por la matriz se eligieron al azar para las pruebas de expulsión. Para facilitar el experimento de expulsión que tiene en cuenta la unión fibra/matriz potencialmente más fuerte, los minicompuestos de SiCf/SiC sin recubrimiento de interfase se trituraron y pulieron en una rebanada más delgada que permitía el uso de cargas de expulsión más bajas. La Figura 8 muestra la curva de indentación típica de los minicompuestos de SiCf/SiC con (Fig. 8a) y sin recubrimiento de interfase (Fig. 8b) obtenidos de la prueba de extracción de una sola fibra. Zhang et al. informaron una curva de expulsión de fibra única similar. 25. De acuerdo con la curva de carga-desplazamiento, el proceso de expulsión de una sola fibra en el minicompuesto SiCf/CaWO4/SiC se puede dividir en cuatro períodos (A, B, C y D) que se marcaron en la curva de indentación (Figura 8). La figura 9 indica un diagrama esquemático de estos cuatro períodos en el proceso de expulsión de fibra25.

Curva de indentación representativa de las pruebas de extracción de una sola fibra en el minicompuesto SiCf/SiC: (a) con recubrimiento de interfase de CaWO4 y (b) sin recubrimiento de interfase.

Adaptado de la referencia 25.

Diagrama esquemático del proceso de expulsión de fibra cargada por nanoindentación realizada en el minicompuesto SiCf/CaWO4/SiC.

En el período A, el indentador presiona la fibra de SiC y se produce la deformación elástica de la fibra de SiC. La interfaz de fibra/matriz todavía está en buenas condiciones y no se han formado grietas en la interfaz. Durante este período, la energía de impacto del indentador es totalmente asimilada por la deformación elástica de la fibra SiC25. En el período B, se produce un desprendimiento parcial en la interfaz fibra/matriz y se forman pequeñas grietas en la interfaz provocadas por el desacoplamiento de la fibra y la matriz. Como resultado, el módulo de Young del sistema fibra/matriz disminuye como se muestra en la Fig. 8. En el período C, la interfaz fibra/matriz está completamente despegada. Se inicia la expulsión de la fibra y luego la fibra de SiC se empuja por debajo de la superficie de la rebanada. La carga crítica cuando se expulsa la fibra de SiC se indica como Pmax (Fig. 8). Finalmente, en el período D, el penetrador toca la matriz de SiC circundante provocando el aumento del módulo de Young del sistema.

La tensión de desprendimiento interfacial del minicompuesto SiCf/CaWO4/SiC se puede calcular de la siguiente manera30, 31

donde τ es la tensión de desprendimiento interfacial, Pmax la carga de expulsión, D el diámetro de la fibra de SiC y L el grosor de la rebanada.

Se llevaron a cabo unas 15 pruebas de expulsión para el minicompuesto. La tensión de desprendimiento interfacial promedio del minicompuesto de SiCf/SiC con recubrimiento de interfase de CaWO4 y sin recubrimiento de interfase se calcula en 80,7 ± 4,6 y 130,7 ± 0,1 MPa, respectivamente, usando la ecuación. (1). La tensión de desprendimiento interfacial de los composites con recubrimiento de BN y PyC es de aproximadamente 5–20 MPa32, 33, y la tensión de desprendimiento de los composites con interfase LaPO4 es de aproximadamente 100–200 MPa34, 35. Una tensión de desprendimiento interfacial más baja representa una unión de interfaz más débil y facilita la endurecimiento de los compuestos. Por lo tanto, es probable que la eficacia de la interfase de CaWO4 para el endurecimiento sea peor que la del revestimiento de BN o PyC, pero ligeramente mejor o cercana a la del revestimiento de LaPO4.

Según la investigación de la superficie de fractura y las mediciones de la tensión de desunión interfacial, es evidente que la interfase CaWO4 mejoró la propiedad interfacial al proporcionar una unión más débil en la interfaz fibra/matriz original. Sin embargo, se observa que el efecto de endurecimiento no es drástico en el trabajo actual, como lo indica la longitud limitada de desprendimiento y el agrietamiento de la matriz observados en la superficie de fractura. Esto debería deberse, al menos en parte, a la incompletitud localizada del recubrimiento, como se ve en la Fig. 6. Se cree que la optimización futura del proceso de recubrimiento permitiría una utilización completa del efecto de endurecimiento proporcionado por la interfase CaWO4.

El minicompuesto SiCf/CaWO4/SiC se oxidó a 1000 °C durante 50 h y 1100 °C durante 10 h y 50 h, y la vista de la sección transversal de los minicompuestos oxidados se muestra en la Fig. 10. De acuerdo con la observación SEM, el recubrimiento de la interfase de CaWO4 aún era visible en el compuesto después del proceso de oxidación, lo que confirma que el recubrimiento de la interfase de CaWO4 tiene una buena resistencia a la oxidación como se esperaba. Por lo tanto, se puede especular que el recubrimiento de la interfase de CaWO4 podría promover la deflexión de grietas y la extracción de fibras en un entorno rico en oxígeno durante mucho tiempo.

Vista de sección transversal de minicompuestos de SiCf/CaWO4/SiC oxidados a (a) 1000 °C durante 50 h, (b) 1100 °C durante 10 h y (c) 1100 °C durante 50 h.

Se llevó a cabo una observación SEM de tracción in situ del minicompuesto SiCf/CaWO4/SiC después de ser oxidado a 1100 °C durante 50 h para evaluar la efectividad del recubrimiento de la interfase CaWO4 después de la oxidación. El minicompuesto de SiCf/SiC no oxidado sin el revestimiento de interfase también se investigó a modo de comparación. Las micrografías SEM obtenidas in situ durante el ensayo de tracción del minicompuesto SiCf/SiC y SiCf/CaWO4/SiC oxidado se muestran en las Figs. 11, 12, respectivamente. Todo el proceso de falla del minicompuesto SiCf/SiC se completó en menos de 2 s. Es obvio que la ruta de propagación de grietas del minicompuesto SiCf/SiC es casi perpendicular a las superficies superior e inferior del compuesto, y la grieta penetra en las fibras sin ninguna desviación (Fig. 11). La superficie de fractura plana del minicompuesto SiCf/SiC está de acuerdo con la morfología de la superficie de fractura que se muestra en la Fig. 6.

Observación SEM de tracción in situ del minicompuesto SiCf/SiC sin revestimientos de interfase.

Observación SEM de tracción in situ del minicompuesto SiCf/CaWO4/SiC oxidado a 1100 ℃ durante 50 h.

En comparación, se indicaron la deflexión de grietas y la extracción aparente de fibras durante la falla del minicompuesto SiCf/CaWO4/SiC que se oxidó a 1100 °C durante 50 h (Fig. 12). La Figura 13 muestra además la fractografía del minicompuesto SiCf/CaWO4/SiC oxidado a 1100 °C durante 50 h. Se observaron arrancamiento de fibras y desprendimiento de la interfaz fibra/matriz en la superficie de fractura, lo que confirma que el recubrimiento de la interfase de CaWO4 sigue siendo eficaz para endurecer el minicompuesto después de la oxidación. Esto contrasta mucho con el recubrimiento de PyC y BN, que tienden a consumirse por oxidación a temperaturas intermedias, lo que genera una fuerte unión en la interfaz fibra/matriz y la pérdida de la funcionalidad de deflexión de grietas36, 37.

Fractografía del minicompuesto SiCf/CaWO4/SiC oxidado a 1100 °C durante 50 h.

El minicompuesto SiCf/CaWO4/SiC se trató térmicamente a una temperatura más alta de 1300 °C durante 50 h para evaluar la compatibilidad térmica entre CaWO4 y SiC. La imagen de la sección transversal y el mapa EDS correspondiente del área de la interfaz se muestran en la Fig. 14. El recubrimiento de la interfase CaWO4 permanece visible en la interfaz fibra/matriz y no se encuentra una zona de reacción obvia entre la interfase y la fibra o la matriz. Mientras tanto, el mapeo EDS indica la ausencia de Si en la interfase y W u O en la matriz o fibra de SiC, lo que confirma además que no ocurre ninguna reacción interfacial después del tratamiento térmico a 1300 °C durante 50 h. En comparación con el recubrimiento de LaPO4 que ha demostrado reaccionar con SiC a 1200 °C15, la buena compatibilidad térmica entre la interfase de CaWO4 y el SiC a 1300 °C sugiere que la interfase de CaWO4 es más adecuada para los compuestos de SiCf/SiC.

(a) Vista de la sección transversal del minicompuesto SiCf/CaWO4/SiC tratado térmicamente a 1300 °C durante 50 h. (b–d) Resultados de escaneo de mapas EDS correspondientes.

Se prepararon recubrimientos de interfase de CaWO4 relativamente uniformes sobre la fibra de SiC utilizando el método de recubrimiento por inmersión sol-gel y luego se fabricaron minicompuestos unidireccionales de SiCf/CaWO4/SiC mediante el método PIP. El espesor del revestimiento de la interfase estaba en el rango de 200 a 600 nm. Se evaluó cuantitativamente la propiedad interfacial del minicompuesto SiCf/CaWO4/SiC y se investigó la estabilidad térmica del revestimiento de la interfase CaWO4 a 1000–1300 °C en el aire. Los resultados se resumen como:

Se observa deflexión de grietas y extracción de fibra durante la falla del minicompuesto SiCf/CaWO4/SiC, lo que indica que el revestimiento de interfase de CaWO4 proporciona una interfaz débil de fibra/matriz. La tensión de desprendimiento interfacial del minicompuesto SiCf/SiC con el revestimiento de interfase de CaWO4 es de aproximadamente 80,7 ± 4,6 MPa, que se encuentra entre la del revestimiento de PyC y LaPO4.

A diferencia del recubrimiento de PyC y BN, se confirma que el recubrimiento de interfase CaWO4 tiene una buena resistencia a la oxidación. El recubrimiento de la interfase de CaWO4 se conserva en la interfaz y puede promover la deflexión de grietas y la extracción de fibras después de que el compuesto se oxide a 1000–1100 °C durante 10–50 h.

El revestimiento de la interfase de CaWO4 no tiene una reacción interfacial ni una difusión evidentes con la fibra o la matriz de SiC después del tratamiento térmico a 1300 °C durante 50 h, lo que sugiere una mejor compatibilidad térmica con el SiC que con el revestimiento de LaPO4. Combinado con la tensión de unión de interfase adecuada, el recubrimiento de interfase de CaWO4 tiene un buen potencial para ser utilizado en compuestos de SiCf/SiC.

Los conjuntos de datos utilizados o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

Snead, LL, Jones, RH, Kohyama, A. y Fenici, P. Estado de los compuestos de carburo de silicio para fusión. J. Nucl. Mate. 233–237 (parte P1), 26–36 (1996).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Hinoki, T., Zhang, W., Kohyama, A., Sato, S. y Noda, T. Efecto del recubrimiento de fibra sobre la resistencia al corte interfacial de SiC/SiC mediante la técnica de nanoindentación. J. Nucl. Mate. 258, 1567–1571 (1998).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Yoshida, K., Matsukawa, K., Imai, M. y Yano, T. Formación de recubrimiento de carbono en fibra de SiC para compuestos bidimensionales de SiC f/SiC por deposición electroforética. Mate. ciencia Ing. B 161(1), 188–192 (2009).

Artículo CAS Google Académico

Kerans, RJ, Hay, RS, Parthasarathy, TA & Cinibulk, MK Diseño de interfaz para compuestos cerámicos resistentes a la oxidación. Mermelada. Cerámica. Soc. 85(11), 2599–2632 (2002).

Artículo CAS Google Académico

Chen, SA, Zhang, Y., Zhang, C., Dan, Z. y Zhang, Z. Efectos de la interfase de SiC por deposición química de vapor sobre las propiedades del compuesto de C/ZrC preparado mediante la infiltración de precursores y la ruta de pirólisis. Mate. Des. 46(4), 497–502 (2013).

Artículo CAS Google Académico

Chen, S. et al. Efectos de la interfase SiC derivada de polímeros sobre las propiedades de los compuestos C/ZrC. Mate. Des. 58, 102–107 (2014).

Artículo CAS Google Académico

Sun, EY, Lin, HT & Brennan, JJ Efectos de temperatura intermedia en compuestos de vitrocerámica reforzados con fibra de carburo de silicio recubiertos con nitruro de boro. Mermelada. Cerámica. Soc. 80(3), 609–614 (2010).

Artículo Google Académico

Naslain, R. et al. Interfase de nitruro de boro en composites de matriz cerámica. Mermelada. Cerámica. Soc. 74(10), 2482–2488 (1991).

Artículo CAS Google Académico

Tressler, RE, Messing, GL, Pantano, CG & Newnham, RE Tailoring Multiphase and Composite Ceramics (Springer, 2012).

Google Académico

Cofer, CG & Economy, J. Estabilidad oxidativa e hidrolítica del nitruro de boro: un nuevo enfoque para mejorar la resistencia a la oxidación de las estructuras carbonosas. Carbono 33(94), 389–395 (1995).

Artículo CAS Google Académico

Davis, JB, Hay, RS, Marshall, DB, Morgan, P. & Sayir, A. Influencia de la rugosidad interfacial en el deslizamiento de fibras en compuestos de óxido con interfases de la-monazita. Mermelada. Cerámica. Soc. 86, 305–316 (2003).

Artículo CAS Google Académico

Fair, GE, Hay, RS & Boakye, EE Recubrimiento por precipitación de monacita sobre fibras cerámicas tejidas: I. Viabilidad. Mermelada. Cerámica. Soc. 90(2), 448–455 (2007).

Artículo CAS Google Académico

Justo, GE et al. Recubrimiento por precipitación de monacita sobre fibras cerámicas tejidas: III—Recubrimiento sin degradación de la resistencia utilizando un precursor de ácido fítico. Mermelada. Cerámica. Soc. 93(2), 420–428 (2010).

Artículo CAS Google Académico

Boakye, EE et al. Recubrimientos de monacita sobre fibras de SiC I: Resistencia de la fibra y estabilidad térmica. Mermelada. Cerámica. Soc. 89(11), 3475–3480 (2006).

Artículo CAS Google Académico

Cinibulk, MK, Fair, GE y Kerans, RJ Estabilidad a alta temperatura del ortofosfato de lantano (monacita) en carburo de silicio a bajas presiones parciales de oxígeno. Mermelada. Cerámica. Soc. 91, 2290–2297 (2010).

Artículo Google Académico

Shanmugham, S., Stinton, DP, Rebillat, F., Bleier, A., Besmann, TM, Lara‐Curzio, E., Liaw, PK Recubrimientos interfaciales resistentes a la oxidación para compuestos cerámicos de fibra continua. En las Actas de la 19.ª Conferencia Anual sobre Compuestos, Cerámicas Avanzadas, Materiales y Estructuras-A: Actas de Ciencias e Ingeniería Cerámica, vol. dieciséis.

Lee, WY, Lara-Curzio, E. & More, KL Concepto de interfase de óxido multicapa para compuestos de matriz cerámica. Mermelada. Cerámica. Soc. 81(3), 717–720 (1998).

Artículo CAS Google Académico

Mogilevsky, P., Parthasarathy, TA & Petry, MD Anisotropía en microdureza a temperatura ambiente y fractura de scheelita CaWo4. Acta Mater. 52(19), 5529–5537 (2004).

Artículo ADS CAS Google Académico

Wu, B., Ni, N., Fan, X., Zhao, X. y Xiao, P. Recubrimientos de Scheelita en fibra de SiC: efecto de la temperatura y la atmósfera del recubrimiento. Cerámica. En t. 47(2), 1693–1703 (2021).

Artículo CAS Google Académico

Wu, B. et al. Retención de resistencia en fibras de SiC recubiertas de scheelita: efecto de la composición del gas y el tratamiento de precalentamiento. J.Eur. Cerámica. Soc. 40(8), 2801–2810 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Mecanismos de deformación de heno, RS monacita y scheelita. En la 24.ª Conferencia anual sobre compuestos, cerámica avanzada, materiales y estructuras: B: Procedimientos científicos y de ingeniería cerámica, 203–217 (2000).

Goettler, RW, Sambasivan, S., Dravid, VP Óxidos complejos isotrópicos como recubrimientos de fibra para óxido-óxido CFCC. En las Actas de la 21.ª Conferencia Anual sobre Compuestos, Cerámicas Avanzadas, Materiales y Estructuras—A: Cerámica Ingeniería y Ciencias Actas, 279–284 (1997).

Chai, Y., Zhou, X. & Zhang, H. Efecto del tratamiento de oxidación en compuestos de SiC reforzados con fibra KD-II SiC. Cerámica. En t. 43(13), 9934–9940 (2017).

Artículo CAS Google Académico

Huang, Z., Dong, S., Yuan, M. y Jiang, D. Fabricación de compuestos de matriz de SiC reforzados con fibra de carbono 2D mediante infiltración de lodo y proceso PIP. Cerámica. En t. 34, 1201–1205 (2008).

Artículo Google Académico

Zhang, L., Ren, C., Zhou, C., Xu, H. & Jin, X. Caracterización de las propiedades mecánicas interfaciales de las propiedades mecánicas interfaciales en compuestos CVI-C/SiC unidireccionales mediante la técnica de nanoindentación. aplicación Navegar. ciencia 357(DEC.1PT.B), 1427–1433 (2015).

Artículo ADS CAS Google Académico

Zok, FW Los compuestos de matriz cerámica permiten ganancias revolucionarias en la eficiencia del motor de turbina. Soy. Cerámica. Soc. Toro. 95(5), 22–28 (2016).

CAS Google Académico

Boakye, EE et al. Evaluación de minicompuestos SiC/SiC con recubrimiento de fibra de disilicato de itrio. Mermelada. Cerámica. Soc. 101(1), 91–102 (2018).

Artículo CAS Google Académico

Chawla, KK Ceramic Matrix Composites 212–251 (Springer, 1998).

Google Académico

Krenkel, W. Compuestos de matriz cerámica: Cerámica reforzada con fibra y sus aplicaciones (Wiley, 2008).

Libro Google Académico

Yang, W., Kohyama, A., Noda, T., Katoh, Y. & Yu, J. Caracterización interfacial de compuestos CVI-SiC/SiC. J. Nucl. Mate. 307(2), 1088–1092 (2002).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Tandon, GP & Pagano, NJ Análisis micromecánico de la prueba de empuje y reempuje de fibras. compos. ciencia Tecnología 58(11), 1709–1725 (1998).

Artículo CAS Google Académico

Cao, H. et al. Efecto de las interfases sobre las propiedades de las cerámicas reforzadas con fibras. Mermelada. Cerámica. Soc. 73(6), 1691–1699 (1990).

Artículo CAS Google Académico

Curtin, WA, Eldridge, JI y Srinivasan, GV Pruebas de expulsión en un nuevo compuesto de matriz cerámica de carburo de silicio/carburo de silicio unido por reacción. Mermelada. Cerámica. Soc. 76(9), 2300–2304 (1993).

Artículo CAS Google Académico

Morgan, PE & Marshall, DB Compuestos cerámicos de monacita y alúmina. Mermelada. Cerámica. Soc. 78(6), 1553–1563 (1995).

Artículo CAS Google Académico

Kuo, D.-H., Kriven, WM & Mackin, TJ Control de propiedades interfaciales a través de recubrimientos de fibra: Recubrimientos de monacita en compuestos de óxido-óxido. Mermelada. Cerámica. Soc. 80(12), 2987–2996 (1997).

Artículo CAS Google Académico

Wang, LY, Luo, RY, Cui, GY & Chen, ZF Resistencia a la oxidación de compuestos SiCf/SiC con una interfaz multicapa PyC/SiC de 500 °C a 1100 °C. Corro. ciencia 167, 108522 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Bertrand, S., Pailler, R. y Lamon, J. Influencia de las interfaces fuertes de fibra/revestimiento en el comportamiento mecánico y la vida útil de los minicompuestos Hi-Nicalon/(PyC/SiC)n/SiC. Mermelada. Cerámica. Soc. 84, 787–794 (2001).

Artículo CAS Google Académico

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Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (No. 52072238).

Escuela de Ingeniería Mecánica, Universidad Jiao Tong de Shanghái, Shanghái, 200240, China

Y es

Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales, Universidad Jiao Tong de Shanghái, Shanghái, 200240, China

Na Ni, Binbin Wu, Yinchun Shi, Xiaohui Fan y Chuanwei Li

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NN y BBW diseñaron y realizaron los experimentos y analizaron los datos. NN y CWL supervisaron este estudio. Todos los autores discutieron los resultados y escribieron y revisaron el texto del manuscrito.

Correspondencia con Na Ni o Chuanwei Li.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Ni, N., Wu, B., Shi, Y. et al. Propiedades interfaciales de minicompuestos SiCf/SiC con recubrimiento de scheelita. Informe científico 12, 21950 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-26626-9

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Recibido: 13 Agosto 2022

Aceptado: 16 de diciembre de 2022

Publicado: 19 diciembre 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-26626-9

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