Propriétés interfaciales des minicomposites SiCf/SiC avec revêtement scheelite

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 21950 (2022) Citer cet article

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Un minicomposite unidirectionnel SiCf/SiC avec un revêtement interphase de scheelite (CaWO4) a été fabriqué par la méthode d'infiltration de précurseur et de pyrolyse. La fractographie des minicomposites SiCf/SiC a indiqué qu'une faible liaison fibre/matrice peut être assurée par l'interphase CaWO4. De plus, la contrainte de décollement interfaciale du minicomposite SiCf/CaWO4/SiC a été évaluée par le test d'expulsion des fibres et estimée à 80,7 ± 4,6 MPa. Une observation SEM en traction in situ du minicomposite SiCf/CaWO4/SiC après oxydation à 1 000–1 100 °C a été réalisée, et la compatibilité thermique entre le revêtement interphase CaWO4 et la fibre ou la matrice SiC après traitement thermique à 1 300 °C a été étudiée.

L'incorporation de fibres de renforcement dans une matrice céramique fragile confère un certain degré de pseudo-ductilité aux composites à matrice céramique (CMC), généralement le composite à matrice SiC renforcé de fibres SiC (SiCf/SiC), empêchant une défaillance catastrophique par plusieurs mécanismes, tels que le décollement des fibres. , glissement des fibres et pontage des fissures. Les composites SiCf/SiC sont considérés comme des matériaux prometteurs et durables pour les applications en environnement sévère telles que le transport supersonique, les avions spatiaux et les réacteurs à fusion1,2,3. La déviation des fissures de la matrice dans la zone d'interphase fibre-matrice est réalisée et contrôlée par le dépôt d'une couche de revêtement d'un matériau conforme sur les fibres avant la fabrication de la matrice4,5,6. Le revêtement interphase le plus efficace est considéré comme le revêtement PyC ou BN7,8,9. Cependant, l’application des composites SiCf/SiC est limitée par la dégradation des propriétés mécaniques en milieu oxydant, due à l’oxydation du revêtement PyC ou BN à l’interface fibre/matrice, notamment à températures intermédiaires4, 10.

Des matériaux d'interphase alternatifs résistants à l'oxydation, tels que la monazite orthophosphate de terres rares (LaPO4), ont été considérés comme des interphases fibre-matrice résistantes à l'oxydation pour les CMC en raison de la structure cristalline en couches et de la possibilité de déformation plastique. Des études sur l'interphase LaPO4 ont montré qu'elle pouvait être déformée sous des contraintes mécaniques à basse température par maclage et dislocation11,12,13. Cependant, il s'est avéré thermodynamiquement incompatible avec le SiC14, 15. La compatibilité et la résistance à l'oxydation sont importantes pour le revêtement interphase afin de garantir l'application sur une longue période des CMC dans l'air. Shanmugham et coll. ont montré qu'une interphase de mullite dans les composites SiCf/SiC déviait les fissures même après une exposition à l'air à 1000 °C pendant 24 h16. Lee et coll. démontré l'utilisation de revêtements multicouches d'oxyde SiO2/ZrO2/SiO2 pour les composites SiC/SiC. La résistance du composite et la déformation aux fissures ont été conservées après oxydation à l’air à 960 °C pendant 10 h17. Scheelite (CaWO4) a une structure en couches constituée de tétraèdres (WO4) et de sites Ca à huit coordonnées et le clivage de son cristal a été signalé sur des plans (101). La structure cristalline en couches et la possibilité de déformation plastique de la scheelite (CaWO4) en font un autre matériau d'interphase potentiel pour les composites SiCf/SiC18,19,20,21,22. Jusqu'à présent, la fabrication de matériaux scheelite comme revêtement d'interphase dans un composite SiCf/SiC et l'étude de ses effets n'ont pas été explorées.

Dans ce travail, un minicomposite unidirectionnel SiCf/CaWO4/SiC a été préparé par la méthode d’infiltration et de pyrolyse de précurseurs (PIP). L'efficacité du revêtement interphase CaWO4 a été étudiée en comparant la fractographie de composites SiCf/SiC avec et sans revêtement interphase CaWO4. La propriété interfaciale des composites a été caractérisée quantitativement par des tests d'expulsion des fibres. Les composites SiCf/CaWO4/SiC ont été oxydés entre 1 000 et 1 100 °C pour évaluer la résistance à l'oxydation du revêtement interphase CaWO4 dans des environnements riches en oxygène. De plus, les composites SiCf/CaWO4/SiC ont été traités thermiquement à 1 300 °C pour étudier la compatibilité entre le revêtement interphase CaWO4 et la fibre ou la matrice SiC.