铍掺杂SiC纤维高温氧化过程中相成分与微观结构演化机理研究

The new special SiC ceramic fiber has become the key new material in the advanced field of aero-engine due to its excellent performance of high temperature, low density, and corrosion resistance. Introduction Beryllium into SiC fiber is one of the method to improve the high temperature resistance of the SiC fiber. Meanwhile, mastering the new phase and microstructure during high temperature process is the key to further improve the temperature performance of the SiC (Be) fiber. This project is devoted to 1) develop the thermodynamic databases through a combination of experiments, first-principles calculations and CALPHAD approach, and 2) design micro-structural experiments with the aid of 3DAP and situ real-time X-ray to study the formation mechanism of new phases and micro-structure during high emperature process. The completion of this project is expected to master all kinds of the phase and the microstructure evolution during high temperature process, to lay a basis of theoretical importance for the design of new type of high temperature SiC fiber with independent intellectual property rights.

新型SiC陶瓷纤维因耐高温、低密度、耐腐蚀等优异的性能将成为航空发动机热端部件的关键新材料。课题组首次提出的铍掺杂SiC纤维在耐高温性能、纺丝性能等方面展现出了明显的优势，却尚不清楚铍元素的掺入对SiC纤维高温氧化过程中相成分和微观结构所产生的影响机理。为此，拟开展以下工作：1）采用CALPHAD相图计算结合关键合金实验的方式高效构筑Si-C-Be-O体系SiC端25-2000℃的热力学数据库；2）基于数据库模拟结果，结合三维原子探针（3DAP）、原位实时X衍射成像等先进检测技术，对不同铍元素含量SiC纤维的高温氧化过程进行原位微观结构表征，分析各元素的准确含量、空间分布及物相形成机理和动态分布规律。项目的完成将首次揭示掺铍SiC纤维耐高温性能与物相种类和微观结构的对应关系，将获得铍元素掺杂提高SiC纤维耐温性能的科学机理，为设计和制备具有自主知识产权的高性能SiC纤维奠定重要的理论基础。

为揭示铍掺杂SiC纤维在耐高温性能、纺丝性能等方面的原理，本项目开展了以下工作：1）采用关键合金实验制备及检测（X射线衍射、扫描电镜、差热分析、电子探针显微分析等），结合相图计算（CALPHAD）优化，对Si-C-Be体系的子二元体系分别进行了实验研究和优化，然后外推得到Si-C-Be三元体系的热力学优化结果；2）基于数据库模拟结果，结合三维原子探针（3DAP）、原位实时X衍射成像等先进检测技术，对不同铍元素含量SiC纤维的高温氧化过程进行原位微观结构表征，分析各元素的准确含量、空间分布及物相形成机理和动态分布规律；3）建立了实时原位检测掺杂SiC的表征方法和装备；4）含铍碳化硅纤维的毒理性开展了系统的实验研究。项目的完成首次揭示掺铍SiC纤维耐高温性能与物相种类和微观结构的对应关系，获得了铍元素掺杂提高SiC纤维耐温性能的科学机理，为设计和制备具有自主知识产权的高性能SiC纤维奠定重要的理论基础。