界面相在3D打印連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料中的關(guān)鍵作用

供稿人：齊晨云 連芩 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　

陶瓷材料具有耐高溫、耐酸堿、高強(qiáng)度、高硬度等優(yōu)異的性能，因此可用于制備耐磨損、耐高溫的特殊零件，例如汽車發(fā)動機(jī)以及航空航天飛行器熱端部件等。為了提高陶瓷材料的韌性，人們開始制備和研究陶瓷基復(fù)合材料，相較于在陶瓷基體中加入顆粒、晶須或短纖維等方式，連續(xù)增強(qiáng)的陶瓷基復(fù)合材料表現(xiàn)出了更優(yōu)異的機(jī)械性能。

西北工業(yè)大學(xué)Yan[1]等基于FDM的3D打印方法（如圖1a所示），使用熱塑性陶瓷前驅(qū)體甲基倍半硅氧烷樹脂（MK）和連續(xù)碳纖維作為打印材料，打印出復(fù)雜的輕量化結(jié)構(gòu)（圖1b），之后通過交聯(lián)和熱解使陶瓷前體轉(zhuǎn)化為無定形SiOC，再使用化學(xué)氣相滲透法（CVI）進(jìn)行了界面制備和致密化處理，并探究了界面相在連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料中的關(guān)鍵作用。

圖1 （a）3D打印工藝示意圖；（b）成形的負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)

該團(tuán)隊研究制備了四種不同界面的樣品，熱解陶瓷標(biāo)記為PC，無界面相、薄界面相（界面厚度50-100nm）和適當(dāng)界面相（界面厚度150-250nm）的致密陶瓷分別標(biāo)記為DCn、DCt和DCp，通過對四種樣品機(jī)械性能的表征（圖2abcd）發(fā)現(xiàn)當(dāng)陶瓷致密化而沒有界面相時，會導(dǎo)致纖維-基體結(jié)合強(qiáng)度過高而使纖維無法拔出，復(fù)合材料發(fā)生脆性斷裂，無法達(dá)到增強(qiáng)的目的，而當(dāng)界面相厚度適中時，如圖2e所示，裂紋在陶瓷基體中擴(kuò)展時，它在界面處偏轉(zhuǎn)同時有大量的纖維被拔出，并且纖維拔出后留下孔洞，表明纖維增強(qiáng)效果良好，與PC樣品相比，彎曲強(qiáng)度增加了203%，每根纖維都被良好的界面相和致密的陶瓷基體包裹，使纖維的增強(qiáng)效果達(dá)到最大化。

圖2 復(fù)合材料的機(jī)械性能。（a）應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（b）具有不同界面的熱解陶瓷和致密陶瓷的彎曲強(qiáng)度；（c）模量；（d）斷裂功；（e）適當(dāng)界面相的致密陶瓷的斷裂截面。

顯然，界面相對于連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料機(jī)械性能的提高起著重要作用，同時，界面相的選取及制備需要根據(jù)不同的陶瓷基體與使用環(huán)境做具體分析，其中的作用機(jī)理及增強(qiáng)效果也需進(jìn)一步探究。

參考文獻(xiàn)：
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.