仿生肌束状核壳纤维束结构增强Cf /Si3 N4 复合材料韧性的创新研究

针对硅氮化物陶瓷脆性问题，哈尔滨工业大学团队受肌肉束结构启发，设计出仿生核壳纤维束结构。通过Li2 O-Al2 O3 -SiO2 体系原位生长SiC纳米线，形成纤维间"结缔组织"，使断裂韧性提升24.5%、断裂功增加98.4%，为纤维增韧复合材料提供新设计范式。

　　

在航空航天和高端装备制造领域，硅氮化物(Si₃
N₄
)陶瓷因其卓越的高温性能和化学稳定性备受青睐，但固有的脆性如同阿喀琉斯之踵，制约着其更广泛应用。传统纤维增韧方案虽能部分改善性能，但单一纤维结构已触及性能天花板。此时，自然界的肌肉束结构进入了科学家视野——这种由结缔组织包裹肌纤维形成的分级结构，赋予肌肉惊人的抗断裂能力。

哈尔滨工业大学团队在《Journal of Materials Science》发表的这项研究，巧妙地将生物智慧引入材料设计。研究人员选择Li₂
O-Al₂
O₃
-SiO₂
(LAS)微晶玻璃为原料，通过溶胶-凝胶法和热压烧结技术，在碳纤维(C_f
)表面原位生长碳化硅纳米线(SiCnw)。高温烧结过程中，反应残留的Li-O-Al体系形成连续纳米层，如同"生物胶水"将多根纤维捆绑成仿生肌束结构。这种设计使复合材料在断裂时产生显著纤维拔出效应，能量吸收效率大幅提升。

关键技术方法

1. 采用溶胶-凝胶法制备LAS微晶玻璃前驱体
2. 无催化剂低温原位反应生长SiCnw
3. 热压烧结构建核壳纤维束结构
4. 通过XRD、SEM等表征界面反应机制

研究结果

界面反应研究
XRD分析显示，引入碳纤维后复合材料中非晶相消失，Si₃
N₄
晶相(200)、(101)、(120)晶面衍射峰显著。TEM证实界面处存在厚度约50nm的Li-O-Al非晶层，该过渡层有效缓解了纤维与基体的热失配应力。

力学性能突破
仿生结构使断裂韧性达8.7 MPa·m^1/2
，较传统单纤维结构提升24.5%。断裂功增幅更为惊人，达98.4%。断口分析显示，肌束状结构在断裂时保持完整，纤维呈集群式拔出而非单根断裂，这种协同效应显著增加了裂纹扩展路径。

结论与意义
该研究开创性地将生物分级结构理念引入陶瓷基复合材料设计，通过LAS衍生纳米界面构建的仿生肌束结构，实现了三大创新：

1. 突破传统单纤维增韧局限，建立多尺度能量吸收机制
2. 开发出低温原位反应制备纳米界面的新工艺
3. 为CFCMCs提供可推广的生物启发设计范式

正如通讯作者Long Xia强调的，这种"师法自然"的设计策略不仅适用于C_f
/Si₃
N₄
体系，其核心思想——通过中间相构建纤维网络结构，可拓展至其他脆性基体复合材料开发，为航空航天热端部件、核反应堆包壳材料等苛刻环境应用提供新解决方案。