S T R U C T U R E I N T E R N E ET D E F A U T S DES FIBRES REFRACTAIRES C. CHASSAIN et P. R. KRAHE
Centre des MatOriaux de l'Ecole des Mines de Paris, 91, Corbeil (France)
(Received: 26 January, 1970)
RESUM[7
L'aspect superficiel et les structures internes de fibres rdfractaires de bore et carbure de silicium ont dtd examinds au microscope optique. Des exemples ainsi que le,~ techniques de prdparation ont dtd donnds. Une attention spdciale a dtd port~e sur les ddfauts internes susceptibles de limiter considdrablement les propridtds mdcaniques des fibres, ainsi que leurs causes probables. La microscopie optique s'est rdvdlde encore utile clans l'dtude de la diffusion entre la couche ddposde et le substrat de la fibre.
SUMMARY
The internal structure and surface details of B and SiC fibres, as they appear under the optical microscope, are reviewed with examples of micrographs and a description of the sample preparation technique. Special attention has been given to the internal defects which severely limit the fibre's ultimate mechanical properties and to their probable causes. The usefulness of optical microscope studies have been further shown in connection with the diffusion taking place between the fibre's deposited layer and its substrate.
INTRODUCTION
Les fibres r6fractaires continues sont de plus en plus utilis6es pour la fabrication des mat6riaux composites caract6ris6s par des rapports 'r6sistance m6canique/poids sp6cifique' tr6s 61ev6s. Les propri6t6s m6caniques de ces mat6riaux d6pendent en partie des propri6t6s m6caniques des fibres, propri6t6s qui sont elles-mSmes tr6s 317 Fibre
Science and Technology(2) (1970)----~ Elsevier Publishing Company Ltd. England--Printed in Great Britain
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C. CHASSAIN, P. R. KRAHE
sensibles 5` la structure de ces fibres. Dans ce travail nous avons examin6 en microscopie optique la structure des fibres de bore et de carbure de silicium en portant notre attention sur les d&auts qui limitent leurs propri6t6s. PREPARATION METALLOGRAPHIQUE
Le polissage pr6sente quelques difficult6s du fait de la finesse (q~ environ 100/~m), de la duret6 et de la fragilit6 des 6chantillons. Les produits 61abor6s ont tendance 5_ se fissurer et 5` 6clater lors du polissage m6canique. Les matrices classiques d'enrobage ne donnent pas de r6sultats satisfaisants; la m6diocrit6 de la plan6it6 obtenue rend impossible l'observation du bord de la fibre. Plusieurs r6sines plus ou moins charg6es en alumine ont 6t6 utilis6es avec un succbs moyen. Les meilleurs r6sultats ont 6t6 obtenus en d6posant sur la fibre, avant de l'enrober, soit du nickel par voie 61ectrolytique, soit des carbures r&ractaires par projection au chalumeau 5. plasma. Les 6chantillons ont 6t6 polls m6caniquement jusqu'au papier '800' puis soumis 5. un traitement de finition par polissage et attaque simultan6s sur des draps impr6gn6s d'alumine et d'un r6actif appropri& Pour le bore, le r6actif 6tait c0mpos6 de 30 g de KaFe(CN)6; l0 g de N a O H et 150 g d'eau; pour le carbure de silicium c'6tait une solution 5` 1 0 ~ d'eau oxyg6n6e. STRUCTURE ET MICROGRAPHIE
Dans ce paragraphe, on cherchera surtout 5` illustrer d'une part les morphologies typiques des d6p6ts, d'autre part les d&auts structuraux qui limitent les propri6t6s m~caniques des fibres. Fibres de bore La Fig. 1 montre sch6matiquement la structure d'une fibre de bore. La fibre est
D6p~t l~re chambre D_~p~t 2~me chambre
Substrat
Fig. I.
Sch6ma de la microstructure d'une fibre de bore.
Surface -ext~rieure en b'~pis de mals"
STRUCTURE INTERNE ET DEFAUTS DES FIBRES REFRACTAIRES
Fig. 2.
Fig. 3.
C6nes de croissance dans une fibre de bore. ( x 500)
Fracture Iongitudinale d'une fibre de bore. (× 800)
31)
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C. CHASSAIN, P. R. K R A H E
(a)
(b) Fig. 4.
Aspect externe d'une fibre de bore. (a) x 320, (b) :, 2450
STRUCTURE INTERNE ET DEFAUTS DES FIBRES REFRACTAIRES
Fig. 5. Coupe transversale d'une fibre de bore. (X 680)
Fig. 6. Coupe longitudinale d'une fibre de bore. ( × 860)
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constitu6e d'un substrat de tungst6ne envelopp6 par le bore d6pos6. Le d6p6t 6tant r6alis6/t des temp6ratures de l'ordre de 1000/t 1100°C, le bore se pr6sente comme un ensemble isotrope de microcristaux (environ 100/~) 1.2 ce qui conf6re ~ l'ensemble du mat6riau son caractbre amorphe. L e s cristallites sont agglom6r6es en une structure caract6ristique form6e de c6nes rayonnants ~ partir du substrat. 3 La Fig. 2 montre ces c6nes dans la coupe longitudinale d'une fibre 61abor6e statiquement; le s u b s t r a t a 6t6 violemment attaqu6 pendant le traitement de finition m6tallographique. La Fig. 3 montre que ces cfnes peuvent parfois ~tre observ6s sur des surfaces de rupture. Les c6nes form6s dans le dernier r6acteur de l'installation d6bouchent "fi la surface en lui donnant un aspect caract6ristique dit 'en 6pi de mais' (Fig. 4). La forme et la taille des 'grains' constituant ces '6pis' varient avec les param6tres d'61aboration. Leur observation est pr6cieuse pour la pr6vision de la qualit6 de la fibre. L'entr6e du fil dans le contact ~ mercure obturant chaque r6acteur arr~te brusquement le d6p6t. Ainsi le passage dans un nouveau r6acteur est la cause d'une discontinuit6 dans la croissance. Celle-ci est marqu6e par une interface pr6f6rentiellemenl attaqu6e pendant le polissage (Figs. 5 et 6). Cet aspect est d'ailleurs commun ~t toutes les fibres 61abor6es par ce proc6d6 et permet de d6terminer facilement le nombre de r6acteurs en s6rie et l'6paisseur de chaque d6p6t.
Fibres de carbure de silicium L'aspect micrographique des fibres de carbure de silicium est tr~s diff6rent de celui des fibres de bore. Dans ce cas, les d6p6ts obtenus suivant un proc6d6 analogue ne laissent pas apparaitre de c6nes de croissance. Sur la Fig. 7, on peut cependant observer le caract~re radial du d6p6t; cette micrographie, prise en lumi~re polaris6e, montre l'Ctme de tungstbne en blanc et les trois couches successives de carbure de silicium. Sur la Fig. 8 on volt que la surface ext6rieure est granit6e et sans relief apparent. De fa~on g6n6rale, l'observation de la finesse de la structure nous conduit fi penser que les unit6s de croissance sont plus petites dans le cas du carbure de silicium que dans le cas du bore.
DEFAUTS DANS LES FIBRES Les fluctuations de certains param~tres d'61aboration teis que la temp6rature du substrat ou le d6bit gazeux et la pr6sence de corps 6trangers incontr61ables sont susceptibles de donner naissance ~t de nombreux d6fauts dans les fibres. I1 est
STRUCTURE INTERNE ET DEFAUTS DES FIBRES REFRACTA1RES
Fig. 7.
Coupe transversale d'une fibre de SiC (lumi6re polaris6e). ( × 1500)
Fig. 8.
Aspect externe d'une fibre de SiC. ( × 2250)
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(a)
(b) Fig. 9.
D6fauts darts une fibre de SiC. (a) :~ 500, (b) > 1500
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tr6s important de conna]tre ces d6fauts car leur nombre et leur distribution contr61ont,en grande partie la r6sistance ~t la rupture des fibres. On peut classer les d~fauts observ6s micrographiquement en trois cat6gories: Les d6fauts exog~nes sont le plus souvent associ6s 5. des particules ayant adh6r6 au substrat ou ~. des micro-bulles de gaz occlus lors du d6p6t. 4 La fig. 9 montre des exemples de tels d6fauts apparus dans une fibre de carbure de silicium, dans ce cas, l'origine des imperfections est apparue au niveau de la premiere chambre, puis le d6p6t dans les chambres suivantes a amplifi6 les perturbations qui #pparaissent ext6rieurement sous l'aspect de 'verrues'. Les d6fauts endog6nes trahissent une croissance anormale due vraisemblablement une modification locale des conditions d'61aboration. Ils se reconnaissent leur aspect cristallin diff6rent du reste de la fibre. La Fig. 10 montre un exemple de ces d~auts observ6s sur une fibre de bore. ¢
Fig. 10. D6faut externe sur une fibre de bore. (× 1500) Les criques internes, dernier type de d6faut, sont observ6es surtout aux interfaces bore-bor~re-tungst6ne. Nous avons constat6 que le profil de la section transversale du substrat jouait un r61e important dans leur formation. Le tungst~ne pr6sente en effet 5. la sortie des fili~res, une striation longitudinale qui ne disparait pas pendan t le maintien h haute temp6rature.
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De ce fait, les surfaces de s6paration entre les diff6rentes phases sont trbs irr6guli6res et les points de concentration de contraintes tr6s nombreux, ce sont autant de points faibles pour l'initiation de fissures. La Fig. 11 montre une fissure le long de l'interface W - W z B s d'un barreau 6labor6 statiquement pour une 6tude de diffusion.
Fig. 11.
Fissure h l'interface W W2B 5 d'un barreau de bore. ( ~ 1500)
OBSERVATION SUR LA DIFFUSION
La microscopie optique fournit des renseignements sur les interactions d4p6tsubstrat dont les r4sultats ont une influence sur les propri6t6s m6caniques des fibres. Comme nous l'avons mentionn6 plus haut, seulesles fibres de bore r6agissent de faqon appr6ciable avec le substrat. Afin de faciliter les observations micrographiques, les 6tudes de diffusion ont 6t6 menses sur des barreaux 61abor6s de fa~on statique, le substrat de tungst~ne ayant un diam6tre de t50/~m et le bore 6tant d6pos6 sur une 6paisseur de 15/~m. La temp6rature de d6p6t 6tait de l'ordre de 1050°C. , Apr6s l'attaque m6tallographique par un ferricyanure alcalin tr~s dilu6, on observe g6ndralement deux zones distinctes entre le bore et le tungst~ne. Nous
STRUCTURE INTERNE ET DEFAUTS DES FIBRES REFRACTAIRES
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avons identifi6 les constituants des diff6rentes couches par analyse aux rayons X.2 Sur la Fig. 12 nous rencontrons en allant du centre vers la pdriph6rie: le substrat de tungst~ne, une couche de W2B5 avec du WB, une couche de WB4, enfin le d6p6t de bore. • La, forma.tion des borures est, tr6s rapide: h la temp6ra~uro du d6p6t, une minute suffit pour que le fil de tungst~ne de 12,7/~m de diam6tre soit totalement borur6.
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I Fig. 12.
Coupe transversale d'un barreau de bore. ( × 850)
CONCLUSION
L'application de la microscopie optique /~ l'6tude des fibres r6fractaires s'est r6v616e fructueuse. Elle nous a permis de mieux comprendre leur structure et de d6gager les facteurs principaux qui la d6terminaient. Nous avons surtout port6 notre effort sur les d6fauts qui limitent la r6sistance/~ la rupture des fibres et sur les produits de la r6action entre le d6p6t et le substrat. Nous sommes en mesure maintenant de v6rifier l'am61ioration de la qualit6 des fibres du point de vue de la structure microscopique, 6tape indispensable pour d6terminer les meilleurs conditions d'61aboration.
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C. CHASSAIN, P. R. KRAHE REMERCIEMENTS
Les a u t e u r s e x p r i m e n t ici, teur g r a t i t u d e ~. M o n s i e u r M. Sindzingre, D i r e c t e u r du C e n t r e des M a t 6 r i a u x de l'l~cole des M i n e s de Paris, qui leur a p e r m i s de p u b l i e r cet article, ainsi qu'& tous les m e m b r e s d u g r o u p e ' F i b r e s ' p o u r leurs e n c o u r a g e m e n t s constants . . . . . .
BIBL1OGRAPHIE I. M. L. HAMMOND,P. F. L1NQUISTet R. H. BRAGG,Rapport du 12 ~ Groupe de Travail sur les composites rEfractaires, Denver, Colorado, 1966. 2. J. R. DONATI, Rapport interne, Centre des Mat~riaux, Ecole des Mines de Paris, 2dme Trimestre, 1969. 3. E. FRANCKLINet WAWNER.,JR., Modern Composite Materials, Broutman et Krock, 1967. 4. D. E. WALKER,J. Mater. Sci., 2 (1967) 197.