SiC陶瓷基複合材料中的孔隙分析

前言:

由鑲嵌在碳化硅基體中的碳化硅纖維製成的陶瓷基複合材料(SiC/SiC CMCs)被廣泛認為是緻密高溫合金(如航空發動機高溫應用的鎳基超級合金)的優秀替代品。在使用化學蒸汽過濾的製造過程中,CMC中引入了大量孔隙,這些孔隙的存在會對組件的結構性能產生相當大的影響。在這項工作中,我們分析了不同幾何相同試樣的SiC/SiC CMC的孔徑和空間分佈。通過計算機斷層掃描對樣本的孔隙率進行定量。使用不同的統計方法描述每個試樣中的孔隙數量、大小和空間分佈。

實驗:

CMC材料由泰蘭德®標準1.6K碳化硅纖維製成,採用化學氣相沉積工藝嵌入SiC基體。纖維表面塗有熱解碳。CMC材料具有0/90°的平紋組織結構纖維方向和每釐米5.9個螺紋。製作了四種不同尺寸的幾何相同試樣,每種尺寸12個試樣。尺寸長度、高度和寬度[L、H、W]與L/H=4.2和H/W=2相關。尺寸1為L=25.2mm,尺寸2為L=37.8mm,尺寸3為L=50.4mm,尺寸4為L=58.8mm。圖1左側顯示了四個此類試樣,每個尺寸一個。為了量化樣品中氣孔的大小和空間分佈,在奧格斯堡大學的測試設備上用X射線計算機斷層掃描機器FixNeNotom M 180掃描每個樣品的一個樣本。

圖1:左圖:四種不同尺寸的SiC/SiC CMC試樣。中間:一個樣本的掃描,顯示映射為藍色的孔隙。右圖:顯示大基質孔隙和多孔纖維束的橫截面的進一步詳細視圖


孔隙統計分析:

使用Dragonfly1和Matlab®分析CT掃描數據。在圖2(a)中,繪製了特定體積孔隙數量的直方圖。

最大的孔隙(>106µm3)不在可視化範圍內,因為它們出現在最小數量(<10)的孔隙中。我們使用分位數-分位數統計圖比較了尺寸#1與其他三種尺寸的孔隙體積分佈,如圖3所示。

我們觀察到,使用相同工藝參數製造的不同試樣的孔體積分佈不完全相同。

圖2(b)中的柱狀圖顯示了樣本大小#1標準化高度上的孔隙頻率。

類似地,如圖4所示,使用qq圖將尺寸#1的孔隙空間分佈與其他三種尺寸進行比較。可以觀察到,與孔隙體積分佈一樣,不同尺寸的孔隙空間分佈也不相同。因此,可以假設孔隙體積和空間分佈不是CMC材料獨有的,而是取決於試樣的體積。

結論:

面向計算的新型航空發動機SiC/SiC CMC部件設計將通過縮短測試時間加速其在實際應用中的實現。然而,為了開發高精度的基於物理的模型,我們需要了解各種微觀結構特徵。在這項工作中,我們發現SiC/SiC CMC的孔隙體積和空間分佈不能由唯一的分佈函數來定義,而是取決於試樣的體積。孔隙大小和空間分佈與力學性能分散性之間的關係有待進一步研究。

參考文獻:Porosity analysis in SiC/SiC ceramic matrix composites.[J]PAMMVolume 20, Issue 1. 2021.



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