《Acta Materialia》拉曼光譜測量碳化硅纖維復合材料殘余應力！ zund G3 XL-3200-道路標誌台中雷射雕刻－丁彥廷焦點新聞熱搜

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碳化硅(SiC)是一種陶瓷材料，可用于極端環境，包括高壓(例如彈道沖擊)、高溫(例如渦輪發動機)和極端輻射(例如作為輕水反應堆和容器內組件中核燃料的包殼)。它具有高耐熱性、低熱膨脹系數、高抗氧化性以及高模量和強度。除了優異的機械性能和耐化學性外，碳化硅還具有較小的中子吸收截面和優異的抗輻射性，使其適用于在服役過程中遭受嚴重輻照的核燃料包殼。

最近的研究工作集中在事故容錯燃料(ATF)包殼的開發上，其動機是福島第一核電站的事故。然而，在上述應用中以整體形式使用純SiC的主要缺點是其斷裂韌性低和脆性大，這可能會導致災難性故障。為了緩解這些問題，連續碳化硅纖維增強碳化硅基體(碳化硅/碳化硅)復合材料一直在研究開發，這些復合材料中使用新開發的第三代SiC纖維，使SiC_f/SiC_m成為ATF包覆的可行候選材料。這些具有特征化學計量比的SiC纖維與之前的纖維相比表現出更接近塊狀SiC的特性。在制備SiC_f/SiC_m復合管的過程中，由于熱膨脹系數不匹配，可能導致冷卻時存在殘余熱應力，因此定量評估這些殘余應力很有必要，這種評估測量對于纖維增強碳化硅是一項挑戰。

美國佛羅里達大學的研究人員在SiC_f/SiC_m復合材料制造過程的各個階段使用拉曼光譜評估了SiC纖維中產生的殘余應力的大小，通過顯微組織觀察驗證了應力來源。相關論文以題為“Measurement of Residual Stress in Silicon Carbide Fibers of Tubular Composites Using Raman Spectroscopy”發表在Acta Materialia。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117164

SiC_f/SiC_m復合材料的拉曼光譜研究表明，在兩個加工步驟制造過程中，SiC纖維中將產生殘余應力：將纖維束編織成復合材料骨架和使用CVI對復合材料進行高溫致密化，前者引起殘余應力的機械分量，而后者在冷卻至室溫時引起殘余應力的熱分量。在復合材料層面，基體和纖維均由碳化硅制成，因此熱膨脹失配造成的殘余應力將是最小的。大部分殘余應力來自編織過程，該過程引起接近716 MPa的橫向壓縮應力。

圖1 (a)編織SiC_f/SiC_m復合材料的XCT重建；(b)SiC纖維和基體材料微觀結構

圖2SiC/SiC復合材料制備過程的不同階段

圖3 碳化硅纖維在制備過程中各階段的拉曼光譜

圖4裸露SiC纖維橫截面的透射電鏡照片

圖5 含有納米碳化硅晶粒的顯微組織

每根纖維中的應力均來自機械編織過程，其中每根由數百根纖維組成的絲束相互編織在一起。然而，很難評估這些殘余應力對機械性能的影響，因為殘余應力和復合材料的結構在制造過程中都會發生變化。因此，很難制造沒有這些殘余應力的復合材料，它們是不可避免的。

盡管Hi-Nicalon SiC纖維具有高純度化學計量組成，但拉曼光譜觀察到石墨的主要d峰和g峰，表明Sic纖維中存在過多的碳。高分辨率TEM分析證實了分散在納米級SiC晶粒內的石墨的存在。這些石墨區域承受超過4 MPa的平均應力，所有應力都來自機械編織過程。本文對SiC復合材料制備研究具有一定實際意義。（文：破風）

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