界面残余应力如何影响SiCf/SiC复合材料的力学性能？(DOI: 10.1007/s40145-021-0519-5)
在航空航天领域，高温部件的材料选择一直是一个关键问题。传统的镍基合金虽然性能优异，但在高温环境下效率较低且排放较高。近年来，连续纤维增强陶瓷基复合材料（CFCMCs）因其优异的力学性能和高温稳定性，逐渐成为替代镍基合金的理想材料。今天，我们就来探讨一下这些材料中的一个关键因素——界面残余应力。
什么是界面残余应力？在复合材料中，增强纤维、陶瓷基体和它们之间的界面层共同构成了材料的整体结构。界面层的作用是连接纤维和基体，传递应力。然而，由于纤维、基体和界面层的热膨胀系数不同，在制备过程中会产生残余应力。这种残余应力就像隐藏在材料内部的“暗流”，对材料的力学性能有着深远的影响。
实验：揭开残余应力的神秘面纱最近，中国科学院上海硅酸盐研究所的研究人员通过一系列实验，深入研究了界面残余应力对SiCf/SiC复合材料力学性能的影响。他们采用纳米浸渍和瞬态共晶相（NITE）方法制备了SiCf/SiC复合材料，并通过微拉曼光谱仪测量了BN界面层中的残余应力。
Fig. 1 Interfacial residual stress of SiCf/SiC calculated from thermal expansion mismatch.（Left） Schematic of calibrating Raman shift in the BN interphase.(right)
实验结果显示，随着复合材料制备温度从1500℃升高到1650℃，BN界面层中的残余应力从26.5 MPa增加到82.6 MPa。这一发现表明，制备温度对残余应力的大小有着直接的影响。
力学性能的变化研究人员进一步通过拉伸测试发现，残余应力对复合材料的力学性能有着显著的影响。当残余应力从26.5 MPa增加到64.9 MPa时，复合材料的拉伸强度从171 MPa增加到238 MPa，拉伸应变从0.33%增加到0.45%。然而，当残余应力进一步增加到82.6 MPa时，拉伸强度和拉伸应变却显著下降，分别为184 MPa和0.36%。
Fig. 2 (a, b) SEM images of as-coated BN interphase on SiC fiber surface, (c–e) AFM images of the interphase at RT, 1550, and 1650 ℃, and (f–h) surficial roughness of the interphase.
Fig. 3 (a, b) SEM images of the as-fabricated SiCf/SiC and (c) selected-area Raman spectra of the BN interphases as-coated on SiC fiber surface and within the SiCf/SiC.
断裂模式的转变残余应力不仅影响了复合材料的力学性能，还改变了纤维/基体的脱粘模式。在低残余应力下，脱粘主要发生在界面/纤维界面（i/f型）。随着残余应力的增加，脱粘模式转变为界面/界面（i/i型）。过高的残余应力甚至会导致界面层严重分层，从而降低纤维/基体的结合强度，抑制纤维的增强效果。
Fig. 4 Tensile stress–strain curves of the SiCf/SiC with various interfacial residual stresses.
Fig. 5 SEM images of the fracture surfaces of SiCf/SiC with various interfacial residual stresses.
Fig. 6 Effects of the interfacial residual stress on the shear modulus of the BN interphase: (a) inhomogeneous distribution of the interfacial residual stress, (b) indentation testing on the interphase using an AFM probe, and (c) shear modulus of the interphase versus the interfacial residual stress.
Fig. 7 Schematic of fiber/matrix debonding transformation in SiCf/SiC under increasing interfacial residual stress.
结论与展望这项研究揭示了界面残余应力对SiCf/SiC复合材料力学性能的重要影响。适当的残余应力可以增强纤维/基体脱粘，从而提高复合材料的力学性能。然而，过高的残余应力会导致界面层分层，降低纤维/基体的结合强度，从而恶化复合材料的力学性能。这一发现为纤维增强陶瓷复合材料中残余应力的调整提供了重要的指导，也为未来高性能复合材料的设计和制备提供了新的思路。
希望这篇文章能让你对复合材料中的界面残余应力有更深入的了解。如果你对材料科学感兴趣，不妨关注我们，获取更多前沿研究成果！
希望这篇文章能帮助你更好地理解界面残余应力对SiCf/SiC复合材料力学性能的影响。如果你有任何问题或需要进一步的信息，欢迎随时提问！
（注：本文基于期刊论文内容整理，旨在介绍研究成果，不涉及任何商业用途。）
| 
发表于 
