界面相在3D打印连续纤维增强陶瓷基复合材料中的关键作用

供稿人：齐晨云 连芩 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室　

陶瓷材料具有耐高温、耐酸碱、高强度、高硬度等优异的性能，因此可用于制备耐磨损、耐高温的特殊零件，例如汽车发动机以及航空航天飞行器热端部件等。为了提高陶瓷材料的韧性，人们开始制备和研究陶瓷基复合材料，相较于在陶瓷基体中加入颗粒、晶须或短纤维等方式，连续增强的陶瓷基复合材料表现出了更优异的机械性能。

西北工业大学Yan[1]等基于FDM的3D打印方法（如图1a所示），使用热塑性陶瓷前驱体甲基倍半硅氧烷树脂（MK）和连续碳纤维作为打印材料，打印出复杂的轻量化结构（图1b），之后通过交联和热解使陶瓷前体转化为无定形SiOC，再使用化学气相渗透法（CVI）进行了界面制备和致密化处理，并探究了界面相在连续纤维增强陶瓷基复合材料中的关键作用。

图1 （a）3D打印工艺示意图；（b）成形的负泊松比结构

该团队研究制备了四种不同界面的样品，热解陶瓷标记为PC，无界面相、薄界面相（界面厚度50-100nm）和适当界面相（界面厚度150-250nm）的致密陶瓷分别标记为DCn、DCt和DCp，通过对四种样品机械性能的表征（图2abcd）发现当陶瓷致密化而没有界面相时，会导致纤维-基体结合强度过高而使纤维无法拔出，复合材料发生脆性断裂，无法达到增强的目的，而当界面相厚度适中时，如图2e所示，裂纹在陶瓷基体中扩展时，它在界面处偏转同时有大量的纤维被拔出，并且纤维拔出后留下孔洞，表明纤维增强效果良好，与PC样品相比，弯曲强度增加了203%，每根纤维都被良好的界面相和致密的陶瓷基体包裹，使纤维的增强效果达到最大化。

图2 复合材料的机械性能。（a）应力-应变曲线；（b）具有不同界面的热解陶瓷和致密陶瓷的弯曲强度；（c）模量；（d）断裂功；（e）适当界面相的致密陶瓷的断裂截面。

显然，界面相对于连续纤维增强陶瓷基复合材料机械性能的提高起着重要作用，同时，界面相的选取及制备需要根据不同的陶瓷基体与使用环境做具体分析，其中的作用机理及增强效果也需进一步探究。

参考文献：
YAN Y K, MEI H, ZHANG M G, et al. Key role of interphase in continuous fiber 3D printed ceramic matrix composites [J]. Compos Part a-Appl S, 2022, 162.