扫描电镜在陶瓷基复合材料中的应用

扫描电镜在陶瓷基复合材料中的应用

扫描电镜在陶瓷基复合材料中的应用

扫描电镜作为一种先进的显微镜技术，在材料科学领域中展现了无限的可能性。特别是在陶瓷基复合材料的研究中，不仅带来了丰富的信息，还揭开了该领域的未知领域，为科学家们提供了新的突破口。

首先，扫描电镜在陶瓷基复合材料的表面分析中发挥着重要作用。而扫描电镜通过高分辨率的成像能力，可以展示材料表面的微观特征和纳米级细节。研究人员可以观察到陶瓷基复合材料中不同组分的分布情况

其次，扫描电镜还可以用于研究陶瓷基复合材料的晶体结构。通过电子衍射技术，扫描电镜可以确定材料的晶格结构和晶体取向，进一步了解材料内部的微观结构和相变过程。这对于理解材料的性能、改进制备工艺以及探索新的材料体系都具有重要意义。

此外，扫描电镜还可以进行成分分析和能谱检测。通过能谱仪的辅助，可以定量地测量材料中各个元素的含量，并判断元素的化学状态和分布情况。这对于评估材料的成分均一性、化学反应和界面反应等方面都非常重要，为陶瓷基复合材料的应用提供了有力支持。

关于陶瓷基符合材料

CMC（连续纤维增韧陶瓷基复合材料）是近十余年才开始较大范围使用的新材料，其能够克服传统陶瓷的疲劳特性问题，同时利用陶瓷基复合材料固有的耐高温、高硬度性能，在汽车工业、航空航天等领域有很大的应用潜力。

扫描电镜下的陶瓷基复合材料

图2.扫描电镜下CMC-SiC 纤维结构图

从扫描电镜拍下的照片中可以看到CMC-SiC 中纤维单丝表面的均匀纳米尺度界面层是实现材料强韧化的关键，构成了连续纤维增韧陶瓷基复合材料特有的力学性能特征，使 CMC-SiC具有类似金属的断裂行为，对裂纹不敏感，不发生灾难性损耗。

图3.扫描电镜下CMC-SiC 材料中的裂纹偏转现象

CMC-SiC 常用在高推重比航空发动机的喷嘴和燃烧室，可显著减重，提高推力室压力和寿命，同时减少冷却剂量，实现结构的小型化和轻量化。CMC-SiC 的高温力学性能优异，氧化物的抗环境腐蚀性能更好，因此，SiC 材料是耐高温 CMC 基体的基本组成，而氧化物是长寿命 CMC-SiC 的抗环境涂层的有效成分。利用飞纳扫描电镜 EDS 成分分析可以对 CMC 中微区的成分进行研究，分析不同的组成体系对其性能的影响。

图4扫描电镜下CMC-SiC 中不同区域成分分析

CMC-SiC 中基体和纤维都是 SiC 材料，二者热膨胀系数匹配，热应力很小，物理相容性、化学相容性好。但由于两者均为 SiC 陶瓷，二者间存在较强的互扩散作用，导致纤维和基体间结合力过强，不能充分发挥纤维的增韧作用。因此，应用中常在纤维-基材间设计一层界面层以提高复合材料的断裂韧性。常见的界面层材料为 PyC（裂解碳）层和 BN 层，其与基材和纤维热膨胀系数匹配、有效传递载荷、增强复合材料韧性。如下图所示为 CMC-SiC 中的界面层观察，在使用离子研磨仪进行离子研磨后，利用台式扫描电镜可以清楚的观察到界面层的存在并测量其厚度。

扫描电镜观察CMC-SiC 中的界面层