Propriedades interfaciais de minicompósitos SiCf/SiC com revestimento de scheelita

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 21950 (2022) Citar este artigo

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Minicompósito unidirecional de SiCf/SiC com revestimento interfásico de scheelita (CaWO4) foi fabricado pelo método de infiltração de precursores e pirólise. A fractografia dos minicompósitos SiCf/SiC indicou que a fraca ligação fibra/matriz pode ser fornecida pela interfase CaWO4. Além disso, a tensão de descolagem interfacial do minicompósito SiCf/CaWO4/SiC foi avaliada através do teste de push-out da fibra, e estimada em 80,7 ± 4,6 MPa. A observação SEM de tração in-situ do minicompósito de SiCf/CaWO4/SiC após oxidação a 1000–1100 °C foi realizada, e a compatibilidade térmica entre o revestimento interfásico de CaWO4 e a fibra ou matriz de SiC após tratamento térmico a 1300 °C foi investigada.

A incorporação de fibras de reforço em uma matriz de cerâmica frágil fornece um grau de pseudo-ductilidade para compósitos de matriz de cerâmica (CMCs), normalmente o compósito de matriz de SiC reforçado com fibra de SiC (SiCf/SiC), evitando falhas catastróficas por vários mecanismos, como descolamento de fibras , deslizamento de fibra e crack bridging. Os compósitos SiCf/SiC são considerados materiais promissores duráveis ​​para aplicações em ambientes severos, como transporte supersônico, aviões espaciais e reatores de fusão1,2,3. O desvio das fissuras da matriz dentro da zona de interfase fibra-matriz é realizado e controlado pela deposição de uma camada de revestimento de um material complacente nas fibras antes da fabricação da matriz4,5,6. O revestimento interfásico mais eficaz é considerado o revestimento PyC ou BN7,8,9. No entanto, a aplicação de compósitos SiCf/SiC é limitada pela degradação das propriedades mecânicas em ambientes oxidantes, devido à oxidação do revestimento de PyC ou BN na interface fibra/matriz, principalmente em temperaturas intermediárias4,10.

Materiais de interfase resistentes à oxidação alternativos, como a monazita de ortofosfato de terras raras (LaPO4), têm sido considerados como interfases de matriz de fibra resistentes à oxidação para CMCs devido à estrutura cristalina em camadas e possibilidade de deformação plástica. Estudos sobre a interfase LaPO4 mostraram que ela pode ser deformada sob tensões mecânicas em baixas temperaturas por geminação e deslocamento11,12,13. No entanto, verificou-se ser termodinamicamente incompatível com SiC14, 15. Tanto a compatibilidade quanto a resistência à oxidação são importantes para o revestimento interfásico para garantir a aplicação de longo período de CMCs no ar. Shanmugham et ai. mostraram que uma interfase de mulita em compósitos SiCf/SiC defletiu trincas mesmo após a exposição ao ar a 1000 °C por 24 h16. Lee e outros. demonstraram o uso de revestimentos multicamadas de óxido SiO2/ZrO2/SiO2 para compósitos SiC/SiC. A resistência do compósito e a deflexão da trinca foram mantidas após oxidação ao ar a 960 °C por 10 h17. Scheelita (CaWO4) tem uma estrutura em camadas consistindo de (WO4) tetraedros e sítios de Ca de oito coordenadas e a clivagem de seu cristal foi relatada em (101) planos. A estrutura cristalina em camadas e a possibilidade de deformação plástica da scheelita (CaWO4) a tornam outro potencial material interfásico para compósitos SiCf/SiC18,19,20,21,22. Até o momento, a fabricação de materiais de scheelita como revestimento interfásico em compósitos SiCf/SiC e a investigação de seu efeito não foram exploradas.

Neste trabalho, um minicompósito unidirecional de SiCf/CaWO4/SiC foi preparado pelo método de infiltração e pirólise de precursores (PIP). A eficácia do revestimento interfásico CaWO4 foi investigada comparando a fractografia de compósitos SiCf/SiC com e sem revestimento interfásico CaWO4. A propriedade interfacial dos compósitos foi quantitativamente caracterizada por testes de push-out de fibra. Os compósitos SiCf/CaWO4/SiC foram oxidados a 1000–1100 °C para avaliar a resistência à oxidação do revestimento interfásico CaWO4 em ambientes ricos em oxigênio. Além disso, os compósitos SiCf/CaWO4/SiC foram tratados termicamente a 1300 °C para investigar a compatibilidade entre o revestimento interfásico de CaWO4 e a fibra ou matriz de SiC.