中國(guó)粉體網(wǎng)訊  陶瓷基復(fù)合材料中兩相（增強(qiáng)體與基體）的界面是一個(gè)表面，通常情況下，復(fù)合材料中的界面面積很大，而且增強(qiáng)體與基體組成的界面沒(méi)有達(dá)到熱力學(xué)平衡。

1.界面的分類（根據(jù)不同性能要求）

從晶體學(xué)角度看，界面有共格、半共格和非共格三種。

1）無(wú)反應(yīng)層界面：

增強(qiáng)相與基體直接結(jié)合形成原子鍵共格界面和半共格界面，有時(shí)形成非晶格界面。

優(yōu)點(diǎn)：界面結(jié)合強(qiáng)度高，提高復(fù)合材料強(qiáng)度。

2）中間反應(yīng)層界面：

存在于增韌相與基體之間，并將兩者結(jié)合。

優(yōu)點(diǎn)：界面層一般都是低熔點(diǎn)共晶相，因此它有利于復(fù)合材料的致密化，這種界面增韌相與基體無(wú)固定的取向關(guān)系。

2.界面的特征

陶瓷基復(fù)合材料往往在高溫下制備，由于增強(qiáng)體與基體的原子擴(kuò)散，在界面上更容易形成固溶體和化合物。此時(shí)其界面是具有一定厚度的反應(yīng)區(qū)，它與基體和增強(qiáng)體都能較好的結(jié)合，但通常是脆性的。因增加纖維的橫截面多為圓形，故界面反應(yīng)層常為空心圓筒狀，其厚度可以控制。

第一臨界厚度：當(dāng)反應(yīng)層達(dá)到某一厚度時(shí)，復(fù)合材料的抗張強(qiáng)度開(kāi)始降低，此時(shí)反應(yīng)層的厚度。

第二臨界厚度：如果反應(yīng)層厚度繼續(xù)增大，材料強(qiáng)度也隨之降低，直至達(dá)某一強(qiáng)度時(shí)不再降低，此時(shí)反應(yīng)層的厚度。

下面我們就以氮化硅陶瓷為例，看看不同界面的特征。

1）碳纖維增韌氮化硅

成型工藝對(duì)界面結(jié)構(gòu)的影響：

①無(wú)壓燒結(jié)工藝：C與Si間反應(yīng)嚴(yán)重，SEM可觀察到非常粗糙的纖維表面，纖維周圍存在空隙；

②高溫等靜壓工藝：壓力和溫度較低，使得反應(yīng)受到抑制，界面上不發(fā)生反應(yīng)，無(wú)裂紋或空隙，是比較理想的物理結(jié)合。

2）SiC晶須增韌氮化硅

反應(yīng)燒結(jié)、無(wú)壓燒結(jié)或高溫等靜壓工藝可獲得無(wú)界面反應(yīng)的復(fù)合材料：

①反應(yīng)燒結(jié)、無(wú)壓燒結(jié)：隨著SiC晶須含量增加，材料密度下降，導(dǎo)致強(qiáng)度下降；

②高溫等靜壓工藝：不出現(xiàn)上述情況。

3.陶瓷基復(fù)合材料界面的粘結(jié)

兩相界面的粘結(jié)（粘接、粘合或粘著等）方式有多種，如靜電粘結(jié)、機(jī)械作用粘結(jié)、浸潤(rùn)粘結(jié)、反應(yīng)粘結(jié)等。對(duì)于陶瓷基復(fù)合材料來(lái)講，界面的粘結(jié)形式主要有兩種：機(jī)械粘結(jié)和化學(xué)粘結(jié)。

機(jī)械粘結(jié)：

由于基體的收縮率較大，冷卻收縮后基體將增強(qiáng)相包裹產(chǎn)生壓應(yīng)力。

通過(guò)滲透、高溫?cái)U(kuò)散等基體滲入或浸入增強(qiáng)纖維的表面而形成機(jī)械結(jié)合。

機(jī)械粘結(jié)為低能量弱粘結(jié)，其界面強(qiáng)度較化學(xué)粘結(jié)低。

化學(xué)粘結(jié)：

通過(guò)原子或分子的擴(kuò)散在界面上形成了固溶體或化合物，即為化學(xué)粘結(jié)。

4.界面的作用

圖1  界面強(qiáng)弱對(duì)材料的影響

陶瓷基復(fù)合材料的界面應(yīng)滿足：

1.強(qiáng)到足以傳遞軸向載荷并具有高的橫向強(qiáng)度；

2.弱到足以沿界面發(fā)生橫向裂紋及裂紋偏轉(zhuǎn)直到纖維的拔出。

因此，陶瓷基復(fù)合材料界面要有一個(gè)最佳的界面強(qiáng)度。

強(qiáng)的界面粘結(jié)往往導(dǎo)致脆性破壞，裂紋在復(fù)合材料的任一部位形成并迅速擴(kuò)散至復(fù)合材料的橫截面，導(dǎo)致平面斷裂。這是由于纖維的彈性模量不是大大高于基體，因此在斷裂過(guò)程中，強(qiáng)界面結(jié)合不產(chǎn)生額外的能量消耗。

若界面結(jié)合較弱，當(dāng)基體中的裂紋擴(kuò)展至纖維時(shí)，將導(dǎo)致界面脫粘，發(fā)生裂紋偏轉(zhuǎn)、裂紋搭橋、纖維斷裂以至于最后纖維拔出。所有這些過(guò)程都要吸收能量，從而提高復(fù)合材料的斷裂韌性。

為了達(dá)到弱界面，常常將顆粒、晶須或纖維表面鍍一層化合物或碳等易被剪切斷裂的物質(zhì)，從而形成界面相。

5.界面的改善

為了獲得最佳界面結(jié)合強(qiáng)度，希望避免界面化學(xué)反應(yīng)或盡量降低界面的化學(xué)反應(yīng)程度和范圍。

實(shí)際當(dāng)中除選擇增強(qiáng)劑和基體在制備和材料服役期間能形成熱動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定的界面外，就是纖維表面涂層處理。

圖2  纖維表面涂層對(duì)材料的影響

（a：無(wú)纖維涂層；b和c：有纖維涂層）

纖維表面涂層處理對(duì)纖維可起到保護(hù)作用，纖維表面雙層涂層處理是最常用的方法。其中，里面的涂層可達(dá)到鍵接及滑移的要求，而外部涂層在較高溫度下防止了纖維機(jī)械性能的降解。