碳化硅(SiC)是一种陶瓷材料，可用于极端环境，包括高压(例如弹道冲击)、高温(例如涡轮发动机)和极端辐射(例如作为轻水反应堆和容器内组件中核燃料的包壳)。它具有高耐热性、低热膨胀系数、高抗氧化性以及高模量和强度。除了优异的机械性能和耐化学性外，碳化硅还具有较小的中子吸收截面和优异的抗辐射性，使其适用于在服役过程中遭受严重辐照的核燃料包壳。
最近的研究工作集中在事故容错燃料(ATF)包壳的开发上，其动机是福岛第一核电站的事故。然而，在上述应用中以整体形式使用纯SiC的主要缺点是其断裂韧性低和脆性大，这可能会导致灾难性故障。为了缓解这些问题，连续碳化硅纤维增强碳化硅基体(碳化硅/碳化硅)复合材料一直在研究开发，这些复合材料中使用新开发的第三代SiC纤维，使SiCf/SiCm成为ATF包覆的可行候选材料。这些具有特征化学计量比的SiC纤维与之前的纤维相比表现出更接近块状SiC的特性。在制备SiCf/SiCm复合管的过程中，由于热膨胀系数不匹配，可能导致冷却时存在残余热应力，因此定量评估这些残余应力很有必要，这种评估测量对于纤维增强碳化硅是一项挑战。
美国佛罗里达大学的研究人员在SiCf/SiCm复合材料制造过程的各个阶段使用拉曼光谱评估了SiC纤维中产生的残余应力的大小，通过显微组织观察验证了应力来源。相关论文以题为“Measurement of Residual Stress in Silicon Carbide Fibers of Tubular Composites Using Raman Spectroscopy”发表在Acta Materialia。https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117164
SiCf/SiCm复合材料的拉曼光谱研究表明，在两个加工步骤制造过程中，SiC纤维中将产生残余应力：将纤维束编织成复合材料骨架和使用CVI对复合材料进行高温致密化，前者引起残余应力的机械分量，而后者在冷却至室温时引起残余应力的热分量。在复合材料层面，基体和纤维均由碳化硅制成，因此热膨胀失配造成的残余应力将是最小的。大部分残余应力来自编织过程，该过程引起接近716 MPa的横向压缩应力。
图1 (a)编织SiCf/SiCm复合材料的XCT重建；(b)SiC纤维和基体材料微观结构
图3 碳化硅纤维在制备过程中各阶段的拉曼光谱
图4裸露SiC纤维横截面的透射电镜照片
图5 含有纳米碳化硅晶粒的显微组织
每根纤维中的应力均来自机械编织过程，其中每根由数百根纤维组成的丝束相互编织在一起。然而，很难评估这些残余应力对机械性能的影响，因为残余应力和复合材料的结构在制造过程中都会发生变化。因此，很难制造没有这些残余应力的复合材料，它们是不可避免的。尽管Hi-Nicalon SiC纤维具有高纯度化学计量组成，但拉曼光谱观察到石墨的主要d峰和g峰，表明Sic纤维中存在过多的碳。高分辨率TEM分析证实了分散在纳米级SiC晶粒内的石墨的存在。这些石墨区域承受超过4 MPa的平均应力，所有应力都来自机械编织过程。本文对SiC复合材料制备研究具有一定实际意义。（文：破风）
