碳化硅具有許多優良性能,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(質量分數,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、抗折強度和彈性模量,并且通過測定其抗熱震參數、抗熱震斷裂參數(R′)和抗熱震損傷參數(R″″)來評價其抗熱震性能。

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;對于抗折強度和彈性模量,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。

從三點彎曲試驗中得到的應力-應變曲線看出:碳化硅纖維-碳化硅復合材料在應力超過峰值后其應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生了影響;計算結果也表明,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。

從應力-應變曲線還可以看出:在應力達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;當壓頭進一步下壓時,應力減小,但其減小速度隨纖維加入量的增多而變緩;從越過較大應力點后應力保持率與增加的應變之間的關系可以看出,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,纖維的出現是隨機的,有部分纖維被拔出。他們認為,纖維與基質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(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(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展性能,但其抗裂紋產生性能有少許降低。

較后,他們用生產出的碳化硅纖維-碳化硅復合耐火材料在熔鋁爐上進行了實際應用,發現與普通碳化硅耐火材料相比,復合材料受熱震后裂紋擴展要輕微得多,其使用壽命顯著比普通碳化硅耐火材料的長。