научная статья по теме МИКРОСТРУКТУРА И ПРОЧНОСТЬ КАРБИДОКРЕМНИЕВОГО ВОЛОКНА С ПОКРЫТИЯМИ НА ОСНОВЕ ДИОКСИДА ЦИРКОНИЯ Химия

Текст научной статьи на тему «МИКРОСТРУКТУРА И ПРОЧНОСТЬ КАРБИДОКРЕМНИЕВОГО ВОЛОКНА С ПОКРЫТИЯМИ НА ОСНОВЕ ДИОКСИДА ЦИРКОНИЯ»

НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2007, том 43, № 3, с. 288-294

УДК 621.794+677.46

МИКРОСТРУКТУРА И ПРОЧНОСТЬ КАРБИДОКРЕМНИЕВОГО ВОЛОКНА С ПОКРЫТИЯМИ НА ОСНОВЕ ДИОКСИДА ЦИРКОНИЯ

© 2007 г. Н. И. Бакланова*, Б. Н. Зайцев**, А. Т. Титов***, Т. М. Наймушина*, В. П. Бервено*

*Институт химии твердого тела и механохимии СО Российской академии наук, Новосибирск **Государственный центр вирусологии и биотехнологии "Вектор", п. Колъцово, Новосибирская область ***Объединенный институт геологии, геофизики и минералогии СО Российской академии наук, Новосибирск Поступила в редакцию 06.06.2006 г.

С помощью золь-гель-метода получены сплошные покрытия из стабилизированного диоксида циркония на карбидокремниевом волокне марки Тугаппо-БА™. Особенности микроструктуры и количественные характеристики рельефа поверхности исходных волокон и волокон с покрытиями выявлены с помощью сканирующей и атомно-силовой микроскопии. Прочность на растяжение волокон с покрытиями незначительно уменьшается по сравнению с прочностью исходного волокна.

ВВЕДЕНИЕ

Композиты с керамической матрицей (ККМ), армированной непрерывными карбидокремние-выми волокнами, в частности, БЮ/БЮ-компози-ты, обладают достаточной жесткостью, прочностью и теплостойкостью. Однако керамическая матрица хрупка, и чтобы реализовать ее возможности, необходимо придать ей ударную вязкость. Основная идея упрочнения хрупкой матрицы хрупкими волокнами связана с процессами отслаивания на границе волокно/матрица и проскальзывания волокон [1]. Для того чтобы трещина могла эффективно тормозиться волокнами, отслаивание волокна от матрицы должно происходить с большей вероятностью, чем разрушение самих волокон на фронте матричной трещины. Это условие реализуется тогда, когда энергия разрушения границы волокно/матрица достаточно мала по сравнению с энергией разрушения волокон. Таким образом, мода докритического разрушения проявляется в ККМ со слабыми границами и прочными волокнами.

Эффективный путь ослабления связи волокно-матрица и повышения вязкости разрушения композита состоит в нанесении на волокна тонкого слоя [2, 3]. В качестве покрытий на БЮ-волок-нах для ККМ предложены разные тугоплавкие соединения [4-6], однако проблема до настоящего времени остается открытой.

Особенный интерес в качестве покрытия на БЮ-волокнах представляет ZrO2, благодаря своей окислительной устойчивости и способности к де-ламинации внутри покрытия вследствие мартен-

ситного превращения тетрагональной модификации в моноклинную [7-10].

Известно, что вязкость разрушения, определяющая способность материала противостоять распространению трещины, в значительной мере зависит от микроструктуры материала [11].

В настоящей работе исследованы микроструктурные особенности покрытий и механические свойства нового типа карбидокремниевых волокон Tyranno-SA™ с покрытиями на основе стабилизированного ZrO2.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Исходные материалы. В качестве исходного материала было использовано карбидокремние-вое волокно марки Tyranno-SATM (Ube Co., Japan) в виде жгута, состоящего из 500 нитей. Перед нанесением покрытий жгуты Tyranno-SATM погружали в горячую воду для удаления аппрета, высушивали при комнатной температуре и затем нагревали на воздухе до 500°C.

Для нанесения многокомпонентных покрытий на основе диоксида циркония, стабилизированного оксидами РЗЭ, на карбидокремниевые волокна использовали золь-гель-метод, описанный в [10]. По меньшей мере два оксида РЗЭ были введены в систему Y2O3-ZrO2. Общее содержание оксидов РЗЭ составило 6 мол. %. Жгуты из карбидокремниевых волокон погружали в водно-спирто-вый золь, высушивали на воздухе при комнатной температуре и затем медленно нагревали сначала на воздухе, а затем в потоке аргона при атмо-

сферном давлении до температуры 960°C. Для увеличения толщины покрытий использовали несколько циклов погружение-нагревание.

Волокна с покрытиями выдерживали на воздухе при атмосферном давлении при температуре 1000°C в муфельной печи (КО-14).

Аналитические методы. Микроструктура и элементный состав исходного Тугаппо^А™-во-локна и волокна с покрытием из стабилизированного диоксида циркония исследовали методами сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) высокого разрешения (SEM: LEO 1430VP) и энергодисперсионного спектрометрического анализа (Oxford).

Топографию поверхности изучали с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ) (SolverP47Bio, НТ-МДТ, Россия) в режиме прерывистого контакта. Волокна закрепляли на стеклянной пластинке с помощью двусторонней липкой ленты. Были исследованы разные участки нескольких волокон. Шероховатость и другие статистические параметры исследованных участков поверхности определяли с помощью стандартной программы "Статистика", входящей в стандартный пакет управления прибором.

Микрорамановские спектры волокон Tyranno-SATM с покрытием 6R-ZrO2 записывали с помощью спектрометра Triplemate, SPEX, оборудованного CCD-детектором и микроскопом, в области 401700 см-1. Длина волны возбуждающего излучения составляла 488 нм, мощность излучения - 5 мВт. Лазерный луч фокусировали с помощью оптического объектива на поверхности волокна в виде пятна диаметром порядка 2 мкм.

Измерение прочности волокон при растяжении. Прочность при растяжении исходных волокон и волокон с 6R-ZrO2-покрытием испытывали на разрывной машине FM-27 (Hungary) при комнатной температуре. Отдельные волокна были

вклеены в специальные рамки. Испытуемая длина составляла 10 мм, в некоторых случаях - 25 мм. Диаметр каждого волокна измеряли на середине длины с помощью лазерной интерферометрии. Средний диаметр составил 6.86 ± 0.09 мкм. После определения диаметра боковые стороны рамки разрезали с помощью разогретой проволоки и прикладывали нагрузку с постоянной скоростью 1.3 мм/мин. Были испытаны ио меньшей мере 40 волокон каждого типа.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1 представлены полученные с помощью АСМ изображения поверхности исходного Tyran-по^А™-волокна. Из рис. 1а видно, что поверхность волокна состоит из довольно крупных кристаллов размером порядка 100-200 нм. На поверхности некоторых волокон наблюдается упорядоченное расположение этих кристаллов вдоль оси волокна (рис. 16), что, по-видимому, является следствием процесса экструзии.

На рис. 2 приведен электронно-микроскопический снимок поверхности исходного волокна

Рис. 2. Электронно-микроскопический снимок исходного волокна Tyranno-SATM.

(а)

(б)

нм 400 200

0

0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

мкм

нм Ь150

-100

-50

"-О

Рис. 3. АСМ-изображения поверхности волокна Тугаппо-БА™ с покрытием 6R-ZrO2: а - 3^-проекция, б - 2^-проек-ция.

мкм

Рис. 4. Электронно-микроскопические снимки Тугаппо-БА™ с покрытием 6R-ZrO2: а, б - см. текст.

Тугаппо-БА™ после удаления с него аппрета. Данные СЭМ также указывают на то, что поверхность волокна крупнозернистая.

Интенсивность V

Рамановский сдвиг, см 1

Рис. 5. Микрорамановский спектр волокна Тугаппо-БАТМ с покрытием 6R-ZrO2.

На рис. 3 представлены АСМ-изображения поверхности волокна после нанесения 6Я^Ю2-по-крытия. Покрытие состоит из ориентированных кристаллов призматической формы, размеры которых порядка 100-200 нм. Можно также заметить, что кристаллы собраны в ряды, причем на некоторых участках поверхности существует регулярность в их расположении (рис. 3). Более внимательное рассмотрение позволяет заметить, что зерна (обычно 4-5 зерен) агрегированы в более крупные частицы размером до 400-500 нм. Данные СЭМ также подтверждают эти микроструктурные особенности.

Из рис. 4а видно, что поверхность волокон с покрытием имеет довольно однородную структуру из зерен почти овальной формы, вытянутых поперек длины волокна. Кроме элементов, образующих сплошную поверхность волокна, наблюдаются также некоторые другие элементы на поверхности, расположенные беспорядочно с различным средним шагом по длине волокна. К таким элементам относятся кристаллические образования, которые возникают как результат задерживания золя между отдельными волокнами, и неболь-

мкм 3.0

(а)

(б)

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

мкм

-70 -60 -50 -40 -30 -20 10 Lo

2.5 2.0 1.5 1.0 0.5

0

г-

* V

aw*4.

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

мкм

120 100 80 60 40 20 0

Рис. 6. АСМ-изображения исходного волокна (а) и волокна с покрытием после процедуры вычитания поверхности 2-го порядка (б).

шие поры (рис. 46). Анализ поверхности излома волокон с покрытием показывает, что наиболее характерным источником разрушения является диаметральная трещина, в некоторых случаях -локальные дефекты поверхности.

На рис. 5 представлен Рамановский спектр 6Я-ZrO2-Tyranno-SATM-волокна. Кроме линий, принадлежащих Б1С и углероду, в спектре присутствуют линии тетрагональной модификации оксида циркония [12]. Присутствие линий, принадлежащих другим модификациям оксида циркония, не регистрируется микрорамановской спектроскопией.

На рис. 6 приведены АСМ-изображения участков площадью 3.1 х 3.1 мкм2 для исходного волокна и волокна с покрытием после процедуры вычитания поверхности 2-го порядка. Статистический анализ АСМ-изображений позволил определить некоторые количественные характеристики поверхности волокон до и после нанесения покрытия и распределение измеряемых высот для этого же участка поверхности. Шероховатость, определяемая как среднеарифметическое отклонение абсолютных значений измеряемых высот от среднего,

Ra =

1

NxNy

N Ny

X XI

i = 1J = 1

измеряемых

NxN,

XN=, X

высот

N

определяется как Rm

Z

j=1Zi'

После нанесения покрытия шероховатость поверхности волокна увеличивается. Так, например, для участка поверхности площадью 3 х 3 мкм2, приведенного на рис. 66, она составляет 14.5 нм. Сле-

дует отметить, что шероховатость увеличивается с увеличением размера анализируемой площади.

Статистическая обработка данных АСМ позволила получить дополнительные характеристики поверхности волокна. На рис. 7 приведены гистограммы распределения измеряемых высот для исходного волокна (кривая 1) и волокна с покрытием (кривая 2). Из рис. 7 следует, что нанесение покрытия приводит не только к увеличению среднего значения высоты (эквивалентной вертикальному размеру частиц) до 48.1 нм вместо 31 нм для и

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком