碳化硅具有許多優(yōu)良性能,但是碳化硅的斷裂韌性不算太高。纖維增韌是改善材料韌性的較常用的一種方法。為此,有人研究了碳化硅短纖維增強(qiáng)碳化硅耐火材料的制備及其斷裂性能。

將碳化硅纖維切成長度為20mm的短纖維,按加入量(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)分別為0、0.1%、0.5%和1.0%加入到碳化硅基材料中,干混均勻后加水混合5～10min,然后注模成型為300mm×45mm×40mm的試樣,于600℃煅燒3h。測量燒后試樣的體積密度、抗折強(qiáng)度和彈性模量,并且通過測定其抗熱震參數(shù)、抗熱震斷裂參數(shù)(R′)和抗熱震損傷參數(shù)(R″″)來評價(jià)其抗熱震性能。

研究表明:各試樣的體積密度均為2.7g·cm-3,與碳化硅纖維加入量無關(guān);對于抗折強(qiáng)度和彈性模量,含0.1%～1.0%碳化硅纖維的試樣的平均值比普通碳化硅試樣的低。

從三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線看出:碳化硅纖維-碳化硅復(fù)合材料在應(yīng)力超過峰值后其應(yīng)力的減小速度比普通碳化硅試樣的緩慢,這意味著碳化硅纖維對試樣的斷裂特性產(chǎn)生了影響;計(jì)算結(jié)果也表明,試樣的斷裂表面能隨碳化硅纖維加入量的增加而逐漸增大。

從應(yīng)力-應(yīng)變曲線還可以看出:在應(yīng)力達(dá)到較大值前的變形過程中,試樣所儲存的能量取決于試樣的彈性;當(dāng)壓頭進(jìn)一步下壓時(shí),應(yīng)力減小,但其減小速度隨纖維加入量的增多而變緩;從越過較大應(yīng)力點(diǎn)后應(yīng)力保持率與增加的應(yīng)變之間的關(guān)系可以看出,纖維加入量為0.1%、0.5%和1.0%的試樣的裂紋擴(kuò)展能分別是普通碳化硅試樣的94.4%、123.2%和136.5%。

從試樣斷面的SEM照片可以看出,纖維的出現(xiàn)是隨機(jī)的,有部分纖維被拔出。他們認(rèn)為,纖維與基質(zhì)間的界面力或摩擦力對提高試樣的斷裂能是有效的;此外,由短纖維引起的裂紋偏轉(zhuǎn)對增加試樣的斷裂能也起一定作用。

含有0.1%、0.5%和1.0%碳化硅纖維的試樣的抗熱震斷裂參數(shù)(R′)分別是普通碳化硅試樣的95%、90%和90%,而它們的抗熱震損傷參數(shù)(R″″)分別是普通碳化硅試樣的126%、164%和192%。對耐火材料而言,防止裂紋產(chǎn)生固然重要,但更重要的是保持其不被破壞。通過添加碳化硅纖維,碳化硅耐火材料有望獲得突出的抗裂紋擴(kuò)展性能,但其抗裂紋產(chǎn)生性能有少許降低。

較后,他們用生產(chǎn)出的碳化硅纖維-碳化硅復(fù)合耐火材料在熔鋁爐上進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用,發(fā)現(xiàn)與普通碳化硅耐火材料相比,復(fù)合材料受熱震后裂紋擴(kuò)展要輕微得多,其使用壽命顯著比普通碳化硅耐火材料的長。