《Open Ceramics》：Matrix first: architected ceramic-derived composite structures enabled by additive manufacturing
编辑推荐：
摘要翻译：本研究提出了一种“基体优先”方法，作为一种通过增材制造和聚合物衍生加工路线制备结构化连续纤维增强陶瓷复合材料的制造策略。与传统陶瓷基复合材料的制备方法不同，该策略颠倒了传统工作流程，首先制造带有嵌入通道的基体结构，随后插入连续纤维增强体。在本研究中，
摘要翻译：本研究提出了一种“基体优先”方法，作为一种通过增材制造和聚合物衍生加工路线制备结构化连续纤维增强陶瓷复合材料的制造策略。与传统陶瓷基复合材料的制备方法不同，该策略颠倒了传统工作流程，首先制造带有嵌入通道的基体结构，随后插入连续纤维增强体。在本研究中，增材制造不仅用于构件成形，还通过基体几何形状预先定义了增强体的拓扑结构。为验证该概念，研究人员通过聚合物粉末床熔融、前驱体浸渗裂解以及制造后纤维插入的组合工艺，制备了含有不同纤维体积分数（1.8%、3.2%和9.8%）的碳结构。研究人员制备并表征了含/不含增强体的块体试样和结构化多孔结构。采用力学测试和X射线计算机断层扫描研究了增强体对力学响应和坍塌行为的影响。结果表明，“基体优先”概念具有可行性，并且增强体能够选择性地稳定承重垂直支柱，将坍塌行为从突发的屈曲主导型失效转变为逐支柱渐进式压溃机制。所提出的方法建立了一种几何驱动的设计框架，其中基体结构和增强体路径可以被协同设计，以定制未来结构化陶瓷复合材料的力学行为。
**论文解读：基体优先策略——增材制造结构化陶瓷衍生复合材料的设计新范式**
**1. 研究背景与科学问题**
陶瓷基复合材料（ceramic matrix composites, CMCs）因其优异的热机械性能，如耐高温、耐腐蚀、低密度以及相较于单体陶瓷更高的韧性，在航空航天、交通运输和能源工程等领域具有广阔的应用前景。然而，传统陶瓷固有的脆性限制了其结构可靠性。在陶瓷基体中引入连续纤维是提高韧性、抗疲劳性和刚度-重量比的有效途径。增材制造（additive manufacturing, AM）技术为制备几何形状复杂的CMCs提供了前所未有的自由度，已有多种AM技术如立体光刻（stereolithography, SLA）、粘结剂喷射（binder jetting, BJ）、粉末床熔融（powder bed fusion, PBF）和材料挤出（material extrusion, MEX）等被用于CMCs的制备研究。
然而，现有增材制造工艺在集成连续纤维方面面临重大挑战。大多数AM技术仅适用于短纤维或颗粒状原料，而能够直接集成连续纤维的材料挤出方法又受限于纤维损伤、润湿性差、流变学限制以及沉积策略有限等问题。自动纤维铺放（automated fibre placement, AFP）虽可生产高质量CMC坯体，但其纤维排布主要局限于二维沉积平面，难以实现真正的三维纤维架构，尤其是缺乏贯穿厚度的增强，导致层间抗剪切和抗分层性能不足。因此，存在一个核心科学问题：如何利用增材制造的自由设计能力，在复杂三维陶瓷架构中集成连续纤维，并使纤维的拓扑路径与基体结构协同设计？
针对这一问题，本研究提出了一种颠覆性的“基体优先”（matrix first）制造策略。与传统的“纤维先行、基体后浸渗”流程相反，该策略首先通过增材制造制备具有内部通道网络的陶瓷基体，随后再将连续纤维束插入这些预设通道中。这样，纤维的取向和空间分布由基体的几何结构直接决定，实现了增强路径与基体架构的一体化设计。
**2. 研究内容与关键方法**
研究人员以聚合物衍生陶瓷路线为基础，系统验证了“基体优先”策略的可行性。研究选用聚酰胺12（PA12）作为打印材料，通过粉末床熔融（具体为选择性激光烧结，selective laser sintering, SLS）制备聚合物预成型体，随后进行呋喃树脂前驱体浸渗和高温热解（precursor infiltration and pyrolysis, PIP），转化为碳基体。增强体采用商用单向碳纤维增强聚合物棒材（carbon fibre reinforced polymer, CFRP，直径1.0 mm），在基体热解后插入通道，再进行后续PIP循环。研究制备了两种类型的样品：一是含有9、16和49个通道的立方块体试样，对应最终纤维体积分数分别为1.8%、3.2%和9.8%；二是具有空心支柱的结构化多孔架构（cellular architecture），用于验证方法在复杂几何上的可扩展性。表征手段包括准静态单轴压缩力学测试、原位X射线计算机断层扫描（X-ray computed tomography, XCT）以实时监测压缩过程中的内部损伤演化和坍塌模式。样品来源为瑞士南方应用科学与艺术大学（SUPSI）实验室制备。
**3. 研究结果与讨论**
**3.1 块体试样：工艺可行性与界面特征**
通过PBF-PIP工艺，PA12预成型体在热解后发生了约21%的线性收缩，最终块体尺寸为15.75×15.75×15.75 mm3，通道直径从1.55 mm收缩至0.95 mm。XCT横截面图像显示，纤维束与基体之间存在明显间隙，这归因于商用CFRP棒中含有37%体积分数的环氧树脂，在二次PIP热解过程中环氧相分解收缩，导致纤维束无法与基体形成紧密接触。因此，载荷传递可能主要依赖几何约束和摩擦作用，而非化学键合或界面相。尽管如此，原位XCT压缩试验表明，当裂纹遇到纤维束时会发生偏转，使基体避免了突发性失效，呈现出渐进式破坏特征。然而，不同通道密度（9、16、49孔）样品的压缩强度数据显示，纤维增强效果并不一致，这是因为更多通道增加了基体表面积并减少了局部厚度，改善了PIP浸渗效率，从而提高了未增强基体本身的力学性能，这一效应掩盖了纤维的贡献。
**3.2 结构化多孔架构：坍塌模式的转变**
对于蜂窝状多孔结构，压缩测试结果显示，增强后最大载荷从1866 ± 289 N提高到2411 ± 341 N（提升约30%），抗压强度从3.2 ± 0.5 MPa提升至4.1 ± 0.7 MPa。更重要的是，增强体改变了坍塌机制：未增强结构中，竖向承重支柱发生屈曲和断裂，引发突发的脆性坍塌；而增强结构中，插入CFRP元件的竖向支柱被稳定，在压缩过程中保持完整，失效逐渐转移到水平连接支柱，并发生逐根渐进式断裂，表现出类似损伤容限材料的延性坍塌行为。这说明，选择性增强关键承力构件能够改变结构的不稳定机制和损伤演化路径，而不仅仅是一种简单的强化手段。
**4. 结论与展望**
研究人员通过概念验证实验表明，“基体优先”策略是一种可行的制造路线，能够通过增材制造直接定义增强通道拓扑，从而实现基体架构与纤维路径的协同设计。该方法成功应用于块体试样和结构化多孔结构，纤维体积分数可达1.8%~9.8%，且增强体显著改善了压缩坍塌行为，将灾难性的脆性失效转变为逐支柱渐进压溃。尽管当前纤维-基体界面仍存在间隙，需通过优化纤维类型（如裸碳纤维、陶瓷纤维）、界面涂层（如热解碳、BN）及后续PIP循环来进一步改善，但本工作确立了几何驱动的设计框架，为未来开发集热传输、流体分配与结构承载于一体的多功能结构化陶瓷复合材料奠定了基础。后续工作将探索弯曲载荷下的力学响应、更高纤维体积分数、更优纤维插入策略以及向先进陶瓷体系（如氧化物、非氧化物陶瓷）的拓展应用。
本研究发表于《Open Ceramics》。
