X射线断层扫描揭示SiC复合材料液态硅渗透全过程！

【研究背景】

液体硅渗透（LSI）工艺用于减少SiC/SiC复合材料的残余孔隙，从而提升材料在高温、高真空环境下的性能。SiC/SiC陶瓷基复合材料因其优异的结构、电气和热性能，被广泛应用于航空航天、能源等领域。与传统的金属材料相比，这些复合材料具有低密度、高温稳定性和良好的耐腐蚀性等优点。然而，现有的制造工艺仍然面临在高温条件下孔隙填充不完全的问题，这对材料的性能和使用寿命构成了挑战。

最近，来自LCTS实验室的H. Carpentie课题组在液体硅渗透（LSI）工艺研究中取得了重要进展。该团队设计并改进了一种新的X射线断层扫描技术，通过使用完全集成的直流电机代替传统的旋转台，实现了高速度、高分辨率的三维成像。这种改进使得研究人员能够更准确地观察和分析SiC/SiC复合材料中的毛细渗透过程。

研究结果表明，熔融硅在粉末基体中的填充经历了两个阶段：首先，硅迅速、不均匀地侵入晶间微孔隙，然后，液体缓慢地填充剩余的孤立区域。最终，液体硅填充了更大的孔隙，如裂缝和纤维内的宏观孔隙。通过这项新技术，研究团队显著提高了对SiC/SiC复合材料填充过程的理解，为未来在高温高真空环境下的材料改进提供了宝贵的数据支持和理论依据。

【表征亮点】

1. 实验首次使用X射线断层扫描（CT）技术对液体硅渗透（LSI）过程进行三维观察，得到了SiC/SiC复合材料中硅渗透的详细三维数据。此前，研究主要依赖于二维X射线摄影，无法提供关于渗透过程的全面视角。

2. 实验通过改进的断层扫描设置，实现了对1500°C高真空下SiC/SiC复合材料的实时三维观测，揭示了两个主要的填充阶段。首先，熔融硅迅速且不均匀地侵入粉末的晶间微孔隙。接着，液体缓慢填充剩余的孤立粉末区域。

3. 当SiC基体完全饱和后，液体会填充更大的孔隙，如裂缝和纤维内宏观孔隙。此外，三维分析还展示了SiC基体粉末中不均匀润湿前沿的形成，明确了粉末的可达性对渗透速度的重大影响，并揭示了裂缝网络在填充孤立区域中的关键作用。这些发现有助于更好地理解LSI过程中的液体硅流动机制。

【科学启迪】

本文通过对SiC/SiC复合材料中液体硅渗透（LSI）过程的三维断层扫描分析，提供了对填充机制的深刻见解。首先，研究表明熔融硅在粉末基体中的渗透分为两个阶段：初期，硅迅速且不均匀地侵入可达的晶间微孔隙；随后，液体缓慢填充剩余的孤立粉末区域。这一过程在SiC基体完全饱和后，液体进一步填充更大的孔隙，如裂缝和纤维内宏观孔隙。此外，通过改进的X射线断层扫描技术，研究揭示了润湿前沿的非均匀性，进一步说明了粉末的可达性和裂缝网络对孤立区域填充的重要性。这些发现不仅提高了对LSI过程的理解，还为优化复合材料的制造工艺提供了宝贵的数据支持。该研究展示了三维成像技术在分析复杂材料工艺中的巨大潜力，并为未来在高温、高真空条件下的材料科学研究提供了新的思路和方法。

参考文献：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120331