PyC 界面层厚度对 C_f/Al 复合材料力学性能的影响

《Surfaces and Interfaces》：Influence of PyC interphase thickness on the mechanical properties of C f/Al composites

　　

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  为C_f/Al复合材料设计了PyC/SiC双层界面。
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  弯曲强度随PyC厚度的变化呈非单调趋势。
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  最优的0.3 μm PyC层将强度提升了227%，达到357 MPa。
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  PyC界面层引发了脆性到假延性断裂的转变。

引言

碳纤维增强铝基复合材料（C_f/Al）因其高比强度、低热膨胀系数以及优异的宏观力学性能，在航空航天和先进汽车工业等轻量化制造领域引起了广泛关注[[1], [2], [3], [4]]。然而，在液态金属渗透过程中防止碳纤维与铝基体之间的有害界面反应仍然是一项重大挑战[5,6]。熔融铝反应性极强，极易侵蚀碳纤维并形成脆性Al₄C₃，这不仅严重降低纤维的固有强度，还导致纤维与基体之间产生极其强烈的界面结合[7]。因此，有效抑制这种界面反应并缓解不合理的界面应力集中，对于提升复合材料的综合力学性能至关重要。

大量实验证据表明，纤维表面涂覆改性是缓解上述有害反应的有效策略[8,9]。近年来，研究人员广泛探索了金属和陶瓷涂层在金属基复合材料中的应用。Liu等人[10]发现，尽管Ni涂层可以改善润湿性，但金属元素在高温下容易扩散到铝基体中，形成脆性金属间化合物，并成为新的裂纹源。相比之下，陶瓷涂层因其优异的热力学稳定性而备受青睐。Si等人[11]发现，具有TiC陶瓷涂层的复合材料比具有传统金属涂层的复合材料表现出更高的拉伸强度。在所评估的陶瓷涂层候选材料（包括SiC、TiC、WC和TiO₂）中，SiC展现出更优越的综合性能，这得益于其低密度、高硬度、优异热稳定性和强耐腐蚀性的良好组合[12,13]。我们之前的研究[14]表明，碳纤维上具有优化厚度的化学气相沉积碳化硅（CVD-SiC）涂层的C_f/Al复合材料，其弯曲强度比未涂覆的对照样品提高了约160%。凭借这些优势，本研究选择SiC作为保护层，以抑制碳纤维与熔融铝之间的有害界面反应。

然而，高模量陶瓷在纤维与基体之间形成了刚性接触界面，过强的界面结合限制了加载过程中的微观应力释放，使裂纹容易直接切断纤维，从而无法从根本上改善断裂韧性[15,16]。为了平衡抑制反应与材料韧性之间的矛盾，陶瓷基复合材料（CMCs）的界面设计提供了跨学科参考[[17], [18], [19]]。在CMCs体系中，引入弱界面是克服脆性断裂的核心机制。Naslain等人[20]指出，热解碳（PyC）凭借其无序石墨结构和层间弱的范德华力，可以作为有效的力学解耦层。当界面断裂能显著低于纤维断裂能时，基体裂纹倾向于在接触界面处发生大角度偏转。后续研究证实，适当厚度的PyC弱界面可以显著降低界面层的层间剪切强度，通过触发界面脱粘和纤维拔出耗散大量断裂表面能，从而使复合材料具有明显的假塑性特征[[21], [22], [23]]。Hao等人[24]系统研究了PyC界面层厚度对M55J碳纤维增强SiC-SiBC基复合材料力学性能的影响。结果表明，将PyC层厚度从180 nm增加到420 nm，会导致拉伸强度出现非单调响应：在300 nm时达到峰值254 ± 18 MPa，比180 nm时测得的159 ± 12 MPa高出约60%，随后在420 nm时降至229 ± 3 MPa。Zhang等人[25]制备了一种具有精确控制PyC界面层厚度梯度的SiC/(BN/PyC)/SiC三明治结构陶瓷基复合材料（CMC），并系统阐明了PyC厚度控制复合材料力学行为的内在机制。结果表明，减小PyC层厚度会显著升高PyC层内的残余压应力和SiC基体中的残余拉应力——从而增强纤维/基体界面并提高复合材料的整体力学性能。因此，系统研究位于碳纤维与SiC保护层之间的PyC界面层厚度对C_f/Al复合材料力学性能的影响具有至关重要的意义。

基于上述分析，本研究创新性地提出在C_f/Al复合材料中构建CVD-PyC/SiC双层界面体系。该体系协同集成了能有效抑制碳纤维与熔融铝之间界面反应的SiC保护层，以及有意弱化纤维/SiC界面的定制PyC界面。这种可控的界面脱粘促进裂纹沿PyC/SiC界面偏转，而非灾难性的纤维断裂，从而显著提高复合材料的韧性和整体力学性能。本研究系统研究了PyC界面厚度在调节纤维/基体界面结构中的作用，旨在确定一种能协同实现稳健载荷传递与有效裂纹偏转的最优界面状态。通过阐明由刻意设计的弱界面控制的能量耗散机制，本工作从理论分析和实验验证两方面，为高强度、高韧性金属基复合材料的合理设计奠定了机制基础。尽管PyC弱界面在陶瓷基复合材料（CMCs）中已得到充分证实，但其在液态金属渗透C_f/Al复合材料中的作用仍鲜有探索。与CMCs不同，800°C的熔融铝渗透会引入竞争性的SiC/Al反应，可能侵蚀SiC屏障层和PyC层。本工作的创新之处在于构建了在这种化学侵蚀性条件下仍能发挥作用的CVD-PyC/SiC双层界面，并将PyC厚度与金属基复合材料体系中的裂纹偏转和载荷传递联系起来。

各节摘要

制备

纤维预制体由六层编织碳纤维布（3 K-200 g连续T700级）叠合而成。在1100 °C和3 kPa条件下，以甲烷（CH₄，99.99 %，100 ml/min）作为碳源前驱体，通过化学气相沉积（CVD）在纤维表面沉积热解碳（PyC）界面层。通过改变CVD时间（0、1、2、3和4 h），实现了约0、0.1、0.2、0.3和0.4 μm的PyC界面层厚度，厚度通过质量变化进行量化。

C_f/Al复合材料的相组成与微观结构

图2(a)展示了C_f/Al复合材料的XRD图谱。可以看出，所有样品均呈现出Al和3C-SiC的明显特征衍射峰，并在2θ ≈ 33.8°处检测到归属于3C-SiC堆垛层错（SFs）的弱衍射峰。同时，尽管C和Al₄C₃的峰相对较弱，但在谱图中仍可辨识。Al₄C₃相——衍射指数为(012)和(107)晶面——源于熔融铝与CVD-SiC之间的反应。

结论

本研究系统研究了CVD-PyC界面厚度对C_f/Al复合材料微观结构、力学性能和断裂行为的影响。主要结论如下：

• (1)
  CVD-SiC保护层作为有效的扩散屏障，显著抑制了熔融铝引起的碳纤维腐蚀。然而，该屏障并非完全不透水；SiC层与熔融铝之间的局部界面反应导致微量Al₄C₃的形成。

CRediT作者贡献声明

Bin Wu：撰写 – 初稿。Qingliang Shan：撰写 – 审阅与编辑。Rui Li：软件、数据整理。Hailong Yu：形式分析、概念构思。Anze Shui：概念构思。Kehui Lin：方法论。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究受浙江省"领雁"研发计划（编号：242026C02A1055）和浙江省自然科学基金联合基金（编号：LZY23E010003）资助。

Bin Wu|Qingliang Shan|Rui Li|Hailong Yu|Anze Shui|Kehui Lin