碳化硅具有许多优良性能,但是碳化硅的断裂韧性不算太高。纤维增韧是改善材料韧性的较常用的一种方法。为此,有人研究了碳化硅短纤维增强碳化硅耐火材料的制备及其断裂性能。
将碳化硅纤维切成长度为20mm的短纤维,按加入量(质量分数,下同)分别为0、0.1%、0.5%和1.0%加入到碳化硅基材料中,干混均匀后加水混合5～10min,然后注模成型为300mm×45mm×40mm的试样,于600℃煅烧3h。测量烧后试样的体积密度、抗折强度和弹性模量,并且通过测定其抗热震参数、抗热震断裂参数(R′)和抗热震损伤参数(R″″)来评价其抗热震性能。
研究表明:各试样的体积密度均为2.7g·cm-3,与碳化硅纤维加入量无关;对于抗折强度和弹性模量,含0.1%～1.0%碳化硅纤维的试样的平均值比普通碳化硅试样的低。
从三点弯曲试验中得到的应力-应变曲线看出:碳化硅纤维-碳化硅复合材料在应力超过峰值后其应力的减小速度比普通碳化硅试样的缓慢,这意味着碳化硅纤维对试样的断裂特性产生了影响;计算结果也表明,试样的断裂表面能随碳化硅纤维加入量的增加而逐渐增大。
从应力-应变曲线还可以看出:在应力达到较大值前的变形过程中,试样所储存的能量取决于试样的弹性;当压头进一步下压时,应力减小,但其减小速度随纤维加入量的增多而变缓;从越过较大应力点后应力保持率与增加的应变之间的关系可以看出,纤维加入量为0.1%、0.5%和1.0%的试样的裂纹扩展能分别是普通碳化硅试样的94.4%、123.2%和136.5%。
从试样断面的SEM照片可以看出,纤维的出现是随机的,有部分纤维被拔出。他们认为,纤维与基质间的界面力或摩擦力对提高试样的断裂能是有效的;此外,由短纤维引起的裂纹偏转对增加试样的断裂能也起一定作用。
含有0.1%、0.5%和1.0%碳化硅纤维的试样的抗热震断裂参数(R′)分别是普通碳化硅试样的95%、90%和90%,而它们的抗热震损伤参数(R″″)分别是普通碳化硅试样的126%、164%和192%。对耐火材料而言,防止裂纹产生固然重要,但更重要的是保持其不被破坏。通过添加碳化硅纤维,碳化硅耐火材料有望获得突出的抗裂纹扩展性能,但其抗裂纹产生性能有少许降低。
较后,他们用生产出的碳化硅纤维-碳化硅复合耐火材料在熔铝炉上进行了实际应用,发现与普通碳化硅耐火材料相比,复合材料受热震后裂纹扩展要轻微得多,其使用寿命显著比普通碳化硅耐火材料的长。
