用XPS分析C/SIC复合材料

                              刘芬 赵良仲
                  （中国科学院化学研究所， 北京， 100080）

    碳纤维增韧处理的碳化硅复合材料（C/SiC）具有强度高和耐高温等优点，在航空航天等工业中有广泛应用前景。X射线光电子能谱（XPS）可以给出材料表面元素组成和化学组成信息，特别适用于分析C/SiC这样的不溶不熔材料。本文利用XPS与离子束刻蚀相结合的技术，分析了C/SiC复合材料的元素和化学组成。
    实验所用的碳纤维为日本产T300碳纤维。C/SiC复合块材由西北工业大学提供，其制备方法[1]简述如下：将T300碳纤维进行三维编织成预制体。预制体致密化前先用化学气相浸渗法在纤维表面沉积一层热解碳，然后再沉积SiC使其致密化。为了进一步减少C/SiC块材的空隙率，又用电解法在其上面沉积Cr，再用熔融硅浸渗，最后得到含Cr和Si的C/SiC复合材料。被分析样品的大小为20mm5mm3.2mm，切割后样品的横截面为5mm3.2mm。
    样品用VG Scientific ESCALab220i-XL型电子能谱仪分析。激发源为AlKα X射线。谱仪分析室的基础真空为210-9mbar。用样品的热解碳和污染碳的C1s谱线校正电子结合能。小面积XPS分析模式的分析区直径为150m，大面积XPS的分析面积约为5mm6mm。Ar+离子溅射时的离子能量为3keV，离子束流约2A，刻蚀面积约7.5mm7.5mm。
    图1中谱线a是T300碳纤维的N1s电子能谱。位于399.8eV和402eV的N1s峰分别对应于N-C键和N-O键。谱线b是C/SiC块材截面的N1s电子能谱。分析前该截面已进行离子刻蚀，以除去表面氧化物。谱线b中除来自N-C的电子峰外，在397.6eV处还有一个来自Si-N的N1s峰。由于T300纤维本身无Si，截面处存在氮化硅意味着预制体在化学气相浸渗或熔融浸渗时T300 纤维与硅发生了化学反应。图2是用小面积XPS从块材截面的中央测得的Si2p电子能谱。在氩离子刻蚀之前截面上有四种化学态硅（见图2谱线a），它们是元素硅（98.9eV），SiC（100.3eV），Si-N或SiOx（101.8eV，x<2）和SiO2 （103.2eV），其中来自SiC的峰最强，而来自元素Si的峰比较弱。这是因为进行化学气相浸渗时含Si气相化合物很容易渗入预制体的内部空隙，而熔融硅浸渗时的液态硅较难渗入内部空隙。C/SiC块材截面边缘处的小面积XPS分析进一步证实了上述推测：此时的Si2p电子能谱中最强峰来自元素硅。这是因为熔体硅难以深入内部空隙而在材料表层富集的缘故。当截面用Ar+刻蚀以后来自SiO2的电子峰已经消失（见图2谱线b），这说明SiO2位于最表面。

    XPS分析还表明，电化学法沉积的Cr在C/SiC块材上的分布不均匀，Cr2p3/2结合能（577eV）表明Cr是以硅化物或氧化物的形式出现，不是以金属Cr的形式存在。综上所述，XPS分析可以提供材料的元素和化学组成信息，从而揭示C/SiC块材制备中的化学相互作用，监测化学气相浸渗和熔融硅浸渗的浸透情况。因此，XPS是一种分析固体材料的有力工具。

参考文献
[1] Y.D.Xu, L.T.Zhang, L.F.Cheng etal., Carbon, 36(1998)1051

致谢：衷心感谢西北工业大学徐永东教授为本实验室提供C/SiC复合块材样品。