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(guó)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(dòng)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(kāi)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(shù)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(guò)交聯(lián)和熱解使陶瓷前體轉(zhuǎn)化為無(wú)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(duì)研究制備了四種不同界面的樣品,，熱解陶瓷標(biāo)記為PC,，無(wú)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(guò)對(duì)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(méi)有界面相時(shí)，會(huì)導(dǎo)致纖維-基體結(jié)合強(qiáng)度過(guò)高而使纖維無(wú)法拔出,，復(fù)合材料發(fā)生脆性斷裂,，無(wú)法達(dá)到增強(qiáng)的目的，而當(dāng)界面相厚度適中時(shí),，如圖2e所示,，裂紋在陶瓷基體中擴(kuò)展時(shí)，它在界面處偏轉(zhuǎn)同時(shí)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(duì)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(shí)，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.