連續纖維增強陶瓷基復合材料界面層研究進展

盧國鋒，喬生儒，許 艷

（1西北工業大學 超高溫復合材料國家重點實驗室，西安710072；2渭南師范學院 化學與生命科學學院，陜西 渭南714000；3渭南師范學院 圖書館，陜西 渭南714000）

連續纖維增強陶瓷基復合材料（FRCMCs）由于具有高比強度、高比模量、耐腐蝕、耐高溫、低密度等優良特性，特別是擁有良好的高溫力學性能，而廣泛應用于航空航天領域的熱結構部件［1－3］。界面層是處于復合材料纖維和基體之間的一個局部微小區域，雖然其在復合材料中所占的體積分數不足10%，但卻是影響陶瓷基復合材料力學性能、抗環境侵蝕能力等性能的關鍵因素。特別是對于脆性纖維增強脆性基體復合材料來說，纖維與基體間的界面層是決定復合材料強度和韌性的重要因素［3］。因此，對界面層（界面層材料和結構）的研究一直是陶瓷基復合材料研究的熱點之一。本文對近年陶瓷基復合材料的界面層研究進展進行了綜述。

1 陶瓷基復合材料對界面層的要求

一般來講，界面層的功能主要有四個：傳遞、阻止裂紋擴展、緩解和阻擋。傳遞作用就是界面層作為一個“橋梁”將作用于基體的載荷充分傳遞至復合材料的主要承載者—纖維增強體上。阻止裂紋擴展是指當基體裂紋擴展到界面層區域時，陶瓷基體和纖維沿它們之間的界面發生分離，并使裂紋的擴展方向發生改變，即裂紋偏轉，阻止裂紋直接越過纖維擴展。緩解作用指的就是界面層通過過渡作用和界面滑移減少殘余熱應力。阻擋作用是指阻擋基體和纖維間元素的相互擴散、溶解和有害化學反應，阻止外界環境對纖維增強體的侵害［4］。

以上只是一般意義上的界面層功能，但對不同功用的復合材料來說，對界面層的要求有所不同。例如：以承受載荷為主要目的的復合材料對前三種功能有更為苛刻的要求，而對以抗氧化為主要目的的復合材料則對阻擋功能有更為嚴格的要求。一種界面層所具有的功能主要取決于界面層的材質、結構、厚度以及界面層與纖維或基體間的相互作用等。出于滿足不同復合材料功能的需求，不同功用的復合材料應具有不同的界面層。陶瓷基復合材料界面層的研究正是在這種需求下而不斷進行的。

2 結構復合材料的界面層研究

對于結構復合材料來說，理想的界面層應該使纖維與基體間有足夠的結合，以保證把基體的受力充分傳遞給纖維。但是界面的結合又不能太強，在基體裂紋擴展至界面處時，要能允許發生裂紋偏轉、纖維的脫粘與拔出［5］。界面脫粘和裂紋在界面層中的擴展方式取決于界面層的種類和結構。有資料［4，6］表明，比較理想的界面層目前有四類（見圖1）：第一類是無定型態的界面相；第二類是由層狀晶體材料組成的界面層；第三類是由不同材料組成多層結構混合界面層；第四類界面層是由多孔材料組成的界面相。

圖1 陶瓷基復合材料的界面相類型（a）無定形態界面相；（b）層狀晶體材料組成的界面相；（c）由不同材料組成的多層界面相；（d）由多孔材料組成的界面相［3］Fig.1 Different types of interphases in ceramic matrix composites（a）amorphous interphase；（b）interphase with a layered crystal structure；（c）multilayer interphase；（d）porous interphase［3］

第一類界面的典型代表就是無定形態的熱解碳。無定形態熱解碳界面相基本上是由微米尺寸的各向同性的細顆粒組成［7］，界面相與纖維間只是簡單的弱界面結合，可以允許裂紋在界面相與纖維間的界面處發生偏轉。但Zhang等［8］的研究結果表明，由于無定形熱解碳界面相的低密度和多孔性，C／C復合材料在采用此類界面后其強度相對于采用層狀結構熱解碳界面相的C／C復合材料低28%～40%，熱導率也會出現大幅下降。因此，目前采用無定形態熱解碳作為陶瓷基復合材料界面相的并不多。同時，這也可能表明，無定形態材料并不是一種理想的界面層材料。

第二類界面相由于其材料層間結合較弱，因而在基體裂紋擴展至界面相時有利于裂紋的分叉和偏轉。具有層狀晶體結構的材料主要有石墨結構的熱解碳及六方BN，此外還有一些氧化物材料，層狀硅酸鹽（如氟金云母KMg3（AlSi3）O10F2）、合成層狀硅氧化合物（如KMg2AlSi4O12）和可解離的六方鋁酸鹽（如氧化鈣鋁礦CaAl12O19）。目前被研究最多的界面層材料主要是：熱解碳，六方BN，復合氧化物（如云母），β－Al2O3和稀土元素的磷酸鹽類［4］。具有層狀結構的熱解碳界面相一般是利用化學氣相浸滲（CVI）法在低溫、低壓的條件下制得，制備過程較為簡單，工藝也已非常成熟，是目前C／C，C／SiC，SiC／SiC復合材料最常采用的一種界面層材料［7，9，10］。雖然此類熱解碳界面相已被廣泛應用，但近年來針對它的研究卻仍在不斷深入進行。2009年，Liu等［11］研究了熱解碳界面層在界面脫粘時的行為，結果表明：在界面脫粘時，熱解碳界面層內部出現層間分離和橋聯現象，橋聯區的石墨片層具有應力取向，即由原來的平行于碳纖維表面變為垂直。Ahmed等［12］發現熱解碳界面層的粗糙度越高，雜質含量越少，晶化程度越高，就越有利于SiC基體的沉積生長。Yan等［13］利用聚碳硅烷的裂解過程在碳纖維和SiC基體間原位生成了熱解碳界面層，這種界面層的制備方法更為簡單，界面層雖是由亂層石墨構成，但仍能很好地發揮界面層的作用。六方BN具有與石墨類似的晶體結構，相對于碳界面層具有較高的抗氧化性能、較低的電導率和介電常數，因而受到越來越多的關注［14－16］。研究發現，BN界面層的存在會使SiC纖維的強度降低，但卻可使所制備的SiC／SiC和C／SiC復合材料的強度和斷裂韌性大幅提高，對SiC／SiC復合材料的微波介電性能則影響不大［14－17］，BN的晶化程度越高，SiC／SiC復合材料的機械性能就越好［18］。BN 界面層可采用 CVI方法制備［16，17，19］，也可采用浸漬涂覆工藝制備［14，15］，不管是CVI方法，還是浸漬涂覆工藝，所制備的BN均為六方結構，都可很好地起到調節界面結合強度和提高復合材料機械性能的目的。但在提高復合材料力學性能方面，BN界面層的作用比不上熱解碳界面層［18］。目前，六方BN界面層主要是用于SiC／SiC復合材料［14，15，20］，在C／SiC復合材料中也有應用［16］，甚至可用于金屬基復合材料［21］。此外，人們還對CaAl12O19，LaAl11O18，Ca（Al，Fe）12O19，LaFe1.5Al10.5O19，KMg2AlSi4O12等層狀晶體材料進行了探索性的研究［22－24］，但由于這些界面層材料實用性較差，目前還沒有具體的應用。

另外，界面層厚度也對復合材料的力學性能存在重要影響。一般認為界面層只有在一定合適的厚度下才能起到提高復合材料力學性能的作用，否則，就只能起反作用。比如：Yu等［25］的研究表明，當熱解碳界面層的厚度為0.1μm時，SiC／SiC復合材料的彎曲強度達到最大值，而斷裂韌性對應的最優厚度為0.53μm。但目前對于不同的界面層材料，不同的復合材料，所得到的實驗結果并不相同。成來飛等［26］認為，在一定范圍內隨著碳界面層厚度的增加，C／SiC復合材料的強度會增加。而Shimoda等［27］對SiC／SiC復合材料的研究則發現，隨碳界面層厚度的增加，材料強度逐漸下降，韌性逐漸增加。研究還表明，具有不同厚度界面層的復合材料對熱處理的響應也不同。界面層較厚的復合材料在熱處理后強度出現大幅下降，而界面層較薄的復合材料則明顯增加［28］。對于SiC界面層，Chen等［29］的研究結果是，隨SiC界面層厚度的增加，C／ZrC復合材料的強度和韌性都降低。而Ding等［30］的研究則表明，隨SiC界面層厚度的增加，SiC／Al（PO3）3復合材料的強度逐漸增加，而韌性卻逐漸下降。

第三類界面層實際上可看做是對第二類界面層的拓展。混合界面層中的每層材料都有各自不同的功能，通過各層不同材料之間的相互配合使界面層具有較好的綜合性能。由于此類界面層具有單一材料界面層所沒有的多種功能，能較好地滿足復雜環境條件下的使用要求，應用前景較好，因而受到廣泛關注和研究。目前被研究的多層界面相體系主要有（PyC－SiC）n，PyC－TaC－PyC，PyC／SiC／TaC／PyC和PyC－SiCN 等。對于（PyC－SiC）n多層界面相，一般認為其可以提高SiC／SiC和C／SiC復合材料的強度和韌性，并能提高材料的壽命和疲勞性能；多層界面相的微觀結構也對SiC／SiC復合材料性能有著重要影響，界面層中的亞層越薄越有利于材料機械性能的提高［31－34］。但由于多層界面相的層間作用較為復雜，界面層對復合材料性能的影響也較為復雜，從而造成各種結果并不一致。Taguchi等［33］認為PyC／SiC 界面層可使 SiC／SiC 復合材料的彎曲強度提高10%。而Yang等［35］則認為引入SiC亞層會使SiC／SiC復合材料的界面剪切強度增加，但對復合材料的彎曲強度影響不大。Wang等［36］的研究發現：PyC／SiC界面層可大幅提高C／SiC－ZrC復合材料的彎曲強度，并使材料的脆性降低。而Yu等［37］則認為PyC／SiC界面層的存在雖使SiC／SiC復合材料的斷裂韌性大幅增加，但對彎曲強度卻有不利影響，亞層的層數越多對復合材料強度的不利影響就越大。對于這些實驗結果，僅從界面層材料本身是無法進行解釋的，筆者相信，界面結合可能在其中起著非常大的作用，界面層之間的相互作用、材料制備工藝條件的變化和界面層宏觀結構變化可能會影響界面結合，進而影響材料的力學性能，但真實情況是否如此，還有待研究證實。PyC／TaC／PyC和PyC／SiC／TaC／PyC多層界面相一般用于C／C復合材料。研究認為：采用PyC／TaC／PyC和PyC／SiC／TaC／PyC多層界面可降低C／C復合材料的界面剪切強度，使復合材料的強度增加［38，39］；在PyC／TaC／PyC多層界面相中，隨著TaC相的增加，C／C復合材料彎曲強度下降，“塑性”變形能力增加，在引入SiC界面相后，強度又大幅增加，同時脆性也增加［40］；PyC／SiC／TaC／PyC界面層對提高C／C復合材料抗燒蝕能力不起作用［41］。此外，Zhu等［42］還對PyC／SiCN界面層進行了研究，結果表明：隨SiCN沉積層厚度的增加，C／SiC復合材料的彎曲強度增加。

對于第四類界面層，由于界面層為一種多孔結構，可以允許裂紋在界面層中發生多次偏轉，從而緩解了裂紋尖端的應力集中，增加材料的斷裂功，從而提高復合材料的韌性［43，44］。從這一理念出發，一些學者曾對此進行過一些有益的探索。Holmquist等［45］采用多孔ZrO2作為Al2O3f／Al2O3復合材料的界面層，所制備的材料具有與其他傳統陶瓷基復合材料相近的拉伸強度。但近年在此領域的研究很少見報道。

此外，有些材料并不具有上述四種界面相的特點，但也能起到界面層的作用。研究表明，無界面層的SiC／SiC復合材料在采用SiC為界面層后，強度和韌性都有明顯提高［46，47］。

從以上的討論可以看出，雖然Naslain［4］提出的四種陶瓷基復合材料的理想界面相結構在一定程度上為界面層的研究指出了方向，但近年來的研究成果似乎表明，這些設想并非完全正確，因此，有必要對界面層的相關機理進行更為深入的研究，以完善界面層結構理論。但目前有關界面層作用機理方面的研究還不多。

3 抗氧化復合材料界面層研究

與結構復合材料對界面層的要求不同，具有抗氧化能力的復合材料對界面層材料的要求是：材料本身要具有較高的抗氧化性；能阻止外界氣體與纖維發生反應；在提高材料抗氧化性能的前提下，要盡可能地保持材料的力學性能。熱解碳界面層雖然目前在提高陶瓷基復合材料力學性能方面具有不可替代的優勢，但其抗氧化性能卻非常差，在400℃時就可發生氧化。因此，在高溫氧化環境下，陶瓷基復合材料會因為碳界面層的迅速氧化而出現強度的急劇下降。為提高陶瓷基復合材料的抗氧化性能，科研人員設計了多種界面層材料，其中研究最多的是BN，SiC，多層界面相和一些氧化物陶瓷。六方BN具有與熱解碳相似的層狀晶體結構，更高的抗氧化性，在高溫下可氧化生成B2O3薄膜并填充界面處的縫隙或裂紋，阻止氧化性氣體到達纖維表面［15］，因而受到廣泛關注。研究表明，BN界面層確實可提高陶瓷基復合材料的抗氧化能力，并且BN的晶化程度越高，復合材料的抗氧化性能就越強［48］。BN界面層的主要缺點是：氧化生成的B2O3可揮發，難以長時間維持復合材料的抗氧化性能；難以在800℃以下的低溫區實現對某些復合材料的保護，比如碳纖維增強陶瓷基復合材料。SiC具有更高的抗氧化性，并且同BN一樣在氧化后可生成黏流態的玻璃（SiO2），填充界面處的縫隙或裂紋［46］。研究表明，不管是C／SiC，還是SiC／SiC復合材料在采用SiC界面層后，其抗氧化性能都明顯提高。但由于SiC與纖維的界面結合較強，復合材料在用SiC界面層取代熱解碳界面層后強度會出現明顯下降［25］。因此，SiC不宜單獨作為界面層材料使用，解決的方法就是采用多層界面相。將SiC層與熱解碳層相結合，構成多層材料作為界面層，可使SiC／SiC復合材料具有優異的抗氧化能力［31］。實際上，為陶瓷基復合材料制備多層界面相的主要目的都是為了提高材料的抗氧化性能。氧化物具有無可爭議的高抗氧化性，是提高界面層抗氧化性能的理想候選材料。早期，科研工作者曾先后以β－Al2O3、磁鐵鉛礦結構材料CaAl12O19、多層鈣鈦礦化合物 KCa2Nb3O10和BaNb2Ti3O10、KMg2AlSi4O12、ABO4型化合物CaWO4和ErTaO4為界面層材料進行了研究，取得了相當多的成果，但到目前為止都未達到實際應用的程度［23，24，49］。近年，Lu等［50，51］采用莫來石界面層來提高Cf／Si－C－N復合材料的抗氧化性能，取得了明顯效果，研究認為：要想通過界面層來提高FRCMCs的抗氧化性能，理想的界面層材料應具備以下條件：1）材料本身具有良好的抗氧化能力；2）具有較大的熱膨脹系數；3）要具有適當的厚度；4）材料自身不可與碳纖維進行化學反應，以免對纖維造成損傷。

此外，國內外研究者還對其他材料進行了探索性的研究。Labruquère等［52］選用 B－C，Si－B－C和Si－C作為界面層材料來提高復合材料的抗氧化能力，他們的研究結果表明：選用適當的界面層材料是可以提高復合材料抗氧化性能的。Lu等［53］選用Si－O－C陶瓷作為Cf／Si－C－N復合材料的界面層，可在力學性能基本不降低的情況下明顯提高Cf／Si－C－N復合材料的抗氧化性能。

從以上討論可看出，雖然抗氧化復合材料的界面層研究已取得了許多成果，但與結構復合材料界面層研究情況相似，在界面層作用機理方面的研究不多，通過界面層提高復合材料抗氧化的機理還不十分清楚。從Lu等的研究中可以看出，Si－O－C界面層的作用機理明顯與Mullite界面層的不同。因此，對于抗氧化復合材料的界面層，也有必要在界面層的作用機理方面作更深入的研究。

4 結束語

綜上所述，通過多年的努力，界面層的研究已取得大量成果：1）獲得了不同界面層對復合材料力學性能、抗氧化性能或一些物理性能的影響。2）對界面層的功能有了基本了解。到目前為止，所了解到的界面層功能主要有四種，即：傳遞、阻止裂紋擴展、緩解和阻擋，但不同用途的復合材料對界面層的功能要求不同。3）對界面層的作用機理也有了初步認識。界面層主要通過發生在界面層區域的裂紋偏轉、纖維脫黏和纖維拔出等現象來提高復合材料的強度和韌性；而提高抗氧化性能則主要通過減少基體裂紋、對裂紋的彌合作用以及自身的阻擋作用來實現。4）對理想的界面層結構有了新的認識。最初被認為是理想界面層的材料（如：無定形態熱解碳）卻并不能很好地表現出界面層的功能，而一些并不具有“理想界面層”特征的材料（如：SiC，Si－O－C）卻也能展現出很好的界面層功能。與此同時，當前有關界面層的研究中也存在一些問題，主要的問題是界面層作用機理方面的研究較少，且不夠系統和深入，以至于目前許多界面層對復合材料的影響機制不清楚，也無法對大量出現的不一致結果做出解釋，這在一定程度上制約了界面層材料的研究。因此，下一步有必要系統深入地研究不同的界面層在復合材料中的作用機理，深入研究界面結合及其相關影響因素對復合材料性能的影響，以為今后界面層的研究指明方向，并最終實現界面層材料的可設計性，為每種陶瓷基復合材料找到最適宜的界面層。

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