纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料的界面区研究.pdf

第36卷第9期稀有金属材料与工程Vol.36,No.9
2007年9月RAREMETALMATERIALSANDENGINEERINGSeptember2007

纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料的界面区研究

1,21112
李建章，张立同，成来飞，徐永东，李斗星
(1.西北工业大学超高温结构复合材料国防科技重点实验室，陕西西安710072)
(2.中国科学院金属研究所，辽宁沈阳110016)

摘要：在连续纤维增强陶瓷基复合材料中，界面调节脆性基体与脆性纤维之间匹配关系的功能以及自身特有的物理
化学性质，决定着复合材料的整体综合效能。本研究从实践中发现界面区的存在，并尝试提出界面区的概念。界面区
是具有一定厚度，含有两处界面（界面相/基体和界面相/纤维）和体相（界面相）的区域。采用透射电子显微技术从微
结构的角度研究了3DC/SiC内界面区与裂纹的相互作用行为。TEM观察表明，由于裂纹偏斜/贯穿竞争随时空的推演，
基体主裂纹会在界面区的多处位置产生单多重偏斜、裂纹尖端前方应力集中诱发脱粘和开裂、纳米尺度微裂纹桥连等
相互作用，其发生的具体部位和方式由界面区内各种相关界面（或断裂）韧性共同决定。此外，结合影响因素的讨论，
初步建立起3DC/SiC内基体裂纹与界面区相互作用的物理模型。
关键词：连续纤维增强陶瓷基复合材料；3DC/SiC；界面区；裂纹；偏斜
中图法分类号：TB323文献标识码：A文章编号：1002-185X(2007)09-1539-06

氧化物纤维增强氧化物陶瓷基复合材料中正在探索的
1引言
多孔界面和间隙界面[6,7]；二是从力学行为角度出发，
由于复合材料具有灵活的可设计性和可能达到的解释界面本征参数等对材料性能的影响。这些研究极
优优组合等两大特性，自20世纪中期起，复合材料日大地促进了对CFCC的理解，支撑了C/SiC和SiC/SiC
益受到重视。该类材料不同组元之间的搭配使得材料的应用，如航空发动机热端部件、航天防热结构以及
内部形成大量的异相或异质界面，界面因而成为调节各高性能制动系统。
组元之间相互关系进而调节材料综合性能的重要环节。但是，就C/SiC，SiC/SiC类CFCC所瞄准的高温
对于高温腐蚀环境中使用的陶瓷基复合材料，界长时抗氧化应用目标以及新一代武器装备的严苛需求
面显得尤为重要。界面被赋予了许多功能，如对增强而言，以上的成功应用仍需在服役时间、温度以及服
相的氧化保护、反应阻挡、力学传载等。其中，最基役性能上进行改进。而限制这一改进的瓶颈之一就是
本和关键的要求是能偏转裂纹，提高材料的韧性。为界面，特别是界面的力学行为和抗氧化性。
此，自增韧、颗粒增强、晶须增强、纤维增强和混杂20世纪80年代至90年代中期，众多力学家从宏
增强等成为众多研究者获得高性能陶瓷基复合材料细观尺度和断裂力学的角度研究CFCC的损伤与破坏
的重要方式。源于20世纪60年代碳碳复合材料的机制，从中阐释界面的作用和力学表现，并对增韧机
连续纤维增强陶瓷基复合材料（Continuous制进行了详细探讨[8~10]。但是，界面在其中都被简化
Fiber-reinforcedCeramicComposites,CFCC）因为可为一无厚度的接触面，所关注的参数为界面断裂韧性
有效解决陶瓷的脆性问题，使材料表现出伪塑性行和弹性不匹配，这与CFCC中界面厚度可达0.1~0.5
为，断裂韧性值上升至25MPa⋅m1/2以上[1,2]，为各国µm的实际情况很不相符。而由于TEM样品制备困
研究者所重视，经过30多年的发展，现已成功应用于难，材料研究者又多局限于使用SEM等手段观察界面
法国幻影2000和阵风战斗机上[3~5]。导致的纤维桥接与纤维拔出，极少从更微观角度去研
以往CFCC中的界面研究多集中于以下两个方究CFCC中的界面，特别是界面与裂纹的相互作用，尽
面：一是偏于工艺角度，即从CFCC诞生起就伴随的管这一作用是最为影响材料的力学行为与抗氧化性的。
界面制备及优化改性，包括对新型界面的寻求，例如基于上述问题，本研究将尝试从微观尺度出发，

收稿日期：2006-09-20
作者简介：李建章，男，1977年生，博士研究生，西北工业大学超高温结构复合材料国防科技重点实验室，陕西西安710072，电话：
029-88486068-814,E-mail:[e-mail]
·1540·稀有金属材料与工程第36卷

利用TEM和电子衍射技术，针对三维编织连续碳纤一无厚度的界面显然是非常不合理的。而后来的材料
维增韧碳化硅基复合材料（3DC/SiC），观察CFCC内研究者，以法国热结构复合材料实验室为代表，则把
界面与裂纹的相互作用，并对其作用的机制、影响因其视为一个界面相，并由对界面相及其厚度