Ceramic matrix composites based on silicon carbide and carbon fibers

Abstract

Silisiumkarbid er velkjent for sine gode mekaniske og termiske egenskaper, som gir det et bredt spekter av industrielle anvendelser. SiC er imidlertid en sprø keramikk, og selv de minste sprekker kan vise seg katastrofale. En måte å løse dette problemet på er å forsterke den keramiske matrisen med fibre, såkalte keramiske matrisekompositter. Denne masteroppgaven vil undersøke sintringsegenskapene til SiC-pulver med 0, 10 og 15 vol% karbonfiberinnhold ved hjelp av spark plasma sintering metoden. Etter et optimaliseringstrinn for å introdusere fibre i matrisen, ble de tre prøvene sintret ved 1850 ° C med et trykk på 20 MPa og en holdetid på 5 minutter. Prøvene ble deretter polert og karakterisert. Fasesammensetningen målt med røntgendiffraksjon viste ingen signifikant forandring under sintring med fibertilsetning. De relative tetthetene målt med Archimedes-metoden viste en reduksjon fra 92% til 88% med fibertilsetning. Vickers mikroindentasjon ble brukt til å måle hardheten og bruddseigheten til prøvene. Hardheten viste en reduksjon med fibertilsetning og hadde svært store lokale variasjoner på grunn av tilstedeværelsen av fibre. Bruddseigheten økte med økende fiberinnhold og viste også lokale variasjoner på grunn av fibrene. Styrken målt med ring-på-ring-metoden reduserte med fibertilsetning. Bindingene mellom fibrene og matrisen viste både kjemisk og mekanisk karakter. Under brudd viste fibrene både fiberutløp og sprekkbrodannelse som herdemekanismer, avhengig av deres orientering mot bruddet.

Silicon carbide is well known for its excellent mechanical and thermal properties, which provide a wide range of industrial applications. SiC is, however, a brittle ceramic and even the smallest cracks can prove catastrophic. One way to address this problem is to reinforce the ceramic matrix with fibers, so called ceramic matrix composites. This master thesis will investigate the sinterability of SiC powders with 0, 10 and 15 vol% carbon fiber content using the spark plasma sintering method. After an optimization step to introduce fibers into the matrix, the three samples were sintered at 1850 °C with a pressure of 20 MPa and a holding time of 5 minutes. The samples were then polished and characterized. Phase composition measured with X-ray diffraction showed no significant change during sintering with fiber addition. The relative densities measured with Archimedes method showed a decrease from 92 % to 88 % with fiber addition. Vickers microindentation was used to measure the hardness and fracture toughness of the samples. The hardness showed a decrease with fiber addition and had very large local variations due to the presence of fibers. The fracture toughness increased with increasing fiber content and likewise showed local variations due to the fibers. The strength measured with the ring-on-ring method decreased with fiber addition. The bonds between the fibers and the matrix showed both chemical and mechanical character. During fracture, the fibers showed both fiber pullout and crack bridging as toughening mechanisms, dependent on their orientation to the fracture.