纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料的界面区研究 - 沈阳材料科学国家 ...

第 36 卷 第 9 期 稀 有 金 属 材 料 与 工 程 Vol.36, No.9
2007 年 9 月 RARE METAL MATERIALS AND ENGINEERING September 2007
纤 维 增 韧 碳 化 硅 陶 瓷 基 复 合 材 料 的 界 面 区 研 究
李 建 章
1,2 , 张 立 同
1 , 成 来 飞
1 , 徐 永 东
1 , 李 斗 星
(1. 西 北 工 业 大 学 超 高 温 结 构 复 合 材 料 国 防 科 技 重 点 实 验 室 , 陕 西 西 安 710072)
(2. 中 国 科 学 院 金 属 研 究 所 , 辽 宁 沈 阳 110016)
2
摘 要 : 在 连 续 纤 维 增 强 陶 瓷 基 复 合 材 料 中 , 界 面 调 节 脆 性 基 体 与 脆 性 纤 维 之 间 匹 配 关 系 的 功 能 以 及 自 身 特 有 的 物 理
化 学 性 质 , 决 定 着 复 合 材 料 的 整 体 综 合 效 能 。 本 研 究 从 实 践 中 发 现 界 面 区 的 存 在 , 并 尝 试 提 出 界 面 区 的 概 念 。 界 面 区
是 具 有 一 定 厚 度 , 含 有 两 处 界 面 ( 界 面 相 / 基 体 和 界 面 相 / 纤 维 ) 和 体 相 ( 界 面 相 ) 的 区 域 。 采 用 透 射 电 子 显 微 技 术 从 微
结 构 的 角 度 研 究 了 3D C/SiC 内 界 面 区 与 裂 纹 的 相 互 作 用 行 为 。TEM 观 察 表 明 , 由 于 裂 纹 偏 斜 / 贯 穿 竞 争 随 时 空 的 推 演 ,
基 体 主 裂 纹 会 在 界 面 区 的 多 处 位 置 产 生 单 多 重 偏 斜 、 裂 纹 尖 端 前 方 应 力 集 中 诱 发 脱 粘 和 开 裂 、 纳 米 尺 度 微 裂 纹 桥 连 等
相 互 作 用 , 其 发 生 的 具 体 部 位 和 方 式 由 界 面 区 内 各 种 相 关 界 面 ( 或 断 裂 ) 韧 性 共 同 决 定 。 此 外 , 结 合 影 响 因 素 的 讨 论 ,
初 步 建 立 起 3D C/SiC 内 基 体 裂 纹 与 界 面 区 相 互 作 用 的 物 理 模 型 。
关 键 词 : 连 续 纤 维 增 强 陶 瓷 基 复 合 材 料 ;3D C/SiC; 界 面 区 ; 裂 纹 ; 偏 斜
中 图 法 分 类 号 :TB323 文 献 标 识 码 :A 文 章 编 号 :1002-185X(2007)09-1539-06
1 引 言
由 于 复 合 材 料 具 有 灵 活 的 可 设 计 性 和 可 能 达 到 的
优 优 组 合 等 两 大 特 性 , 自 20 世 纪 中 期 起 , 复 合 材 料 日
益 受 到 重 视 。 该 类 材 料 不 同 组 元 之 间 的 搭 配 使 得 材 料
内 部 形 成 大 量 的 异 相 或 异 质 界 面 , 界 面 因 而 成 为 调 节 各
组 元 之 间 相 互 关 系 进 而 调 节 材 料 综 合 性 能 的 重 要 环 节 。
对 于 高 温 腐 蚀 环 境 中 使 用 的 陶 瓷 基 复 合 材 料 , 界
面 显 得 尤 为 重 要 。 界 面 被 赋 予 了 许 多 功 能 , 如 对 增 强
相 的 氧 化 保 护 、 反 应 阻 挡 、 力 学 传 载 等 。 其 中 , 最 基
本 和 关 键 的 要 求 是 能 偏 转 裂 纹 , 提 高 材 料 的 韧 性 。 为
此 , 自 增 韧 、 颗 粒 增 强 、 晶 须 增 强 、 纤 维 增 强 和 混 杂
增 强 等 成 为 众 多 研 究 者 获 得 高 性 能 陶 瓷 基 复 合 材 料
的 重 要 方 式 。 源 于 20 世 纪 60 年 代 碳 碳 复 合 材 料 的
连 续 纤 维 增 强 陶 瓷 基 复 合 材 料 (Continuous
Fiber-reinforced Ceramic Composites, CFCC) 因 为 可
有 效 解 决 陶 瓷 的 脆 性 问 题 , 使 材 料 表 现 出 伪 塑 性 行
为 , 断 裂 韧 性 值 上 升 至 25 MPa⋅m 1/2 以 上 [1,2] , 为 各 国
研 究 者 所 重 视 , 经 过 30 多 年 的 发 展 , 现 已 成 功 应 用 于
法 国 幻 影 2000 和 阵 风 战 斗 机 上 [3~5] 。
以 往 CFCC 中 的 界 面 研 究 多 集 中 于 以 下 两 个 方
面 : 一 是 偏 于 工 艺 角 度 , 即 从 CFCC 诞 生 起 就 伴 随 的
界 面 制 备 及 优 化 改 性 , 包 括 对 新 型 界 面 的 寻 求 , 例 如
氧 化 物 纤 维 增 强 氧 化 物 陶 瓷 基 复 合 材 料 中 正 在 探 索 的
多 孔 界 面 和 间 隙 界 面 [6,7] ; 二 是 从 力 学 行 为 角 度 出 发 ,
解 释 界 面 本 征 参 数 等 对 材 料 性 能 的 影 响 。 这 些 研 究 极
大 地 促 进 了 对 CFCC 的 理 解 , 支 撑 了 C/SiC 和 SiC/SiC
的 应 用 , 如 航 空 发 动 机 热 端 部 件 、 航 天 防 热 结 构 以 及
高 性 能 制 动 系 统 。
但 是 , 就 C/SiC,SiC/SiC 类 CFCC 所 瞄 准 的 高 温
长 时 抗 氧 化 应 用 目 标 以 及 新 一 代 武 器 装 备 的 严 苛 需 求
而 言 , 以 上 的 成 功 应 用 仍 需 在 服 役 时 间 、 温 度 以 及 服
役 性 能 上 进 行 改 进 。 而 限 制 这 一 改 进 的 瓶 颈 之 一 就 是
界 面 , 特 别 是 界 面 的 力 学 行 为 和 抗 氧 化 性 。
20 世 纪 80 年 代 至 90 年 代 中 期 , 众 多 力 学 家 从 宏
细 观 尺 度 和 断 裂 力 学 的 角 度 研 究 CFCC 的 损 伤 与 破 坏
机 制 , 从 中 阐 释 界 面 的 作 用 和 力 学 表 现 , 并 对 增 韧 机
制 进 行 了 详 细 探 讨 [8~10] 。 但 是 , 界 面 在 其 中 都 被 简 化
为 一 无 厚 度 的 接 触 面 , 所 关 注 的 参 数 为 界 面 断 裂 韧 性
和 弹 性 不 匹 配 , 这 与 CFCC 中 界 面 厚 度 可 达 0.1~0.5
µm 的 实 际 情 况 很 不 相 符 。 而 由 于 TEM 样 品 制 备 困
难 , 材 料 研 究 者 又 多 局 限 于 使 用 SEM 等 手 段 观 察 界 面
导 致 的 纤 维 桥 接 与 纤 维 拔 出 , 极 少 从 更 微 观 角 度 去 研
究 CFCC 中 的 界 面 , 特 别 是 界 面 与 裂 纹 的 相 互 作 用 , 尽
管 这 一 作 用 是 最 为 影 响 材 料 的 力 学 行 为 与 抗 氧 化 性 的 。
基 于 上 述 问 题 , 本 研 究 将 尝 试 从 微 观 尺 度 出 发 ,
收 稿 日 期 :2006-09-20
作 者 简 介 : 李 建 章 , 男 ,1977 年 生 , 博 士 研 究 生 , 西 北 工 业 大 学 超 高 温 结 构 复 合 材 料 国 防 科 技 重 点 实 验 室 , 陕 西 西 安 710072, 电 话 :
029-88486068-814, E-mail: jianzhang_Li@163.com

·1540· 稀 有 金 属 材 料 与 工 程 第 36 卷
利 用 TEM 和 电 子 衍 射 技 术 , 针 对 三 维 编 织 连 续 碳 纤
维 增 韧 碳 化 硅 基 复 合 材 料 (3D C/SiC), 观 察 CFCC 内
界 面 与 裂 纹 的 相 互 作 用 , 并 对 其 作 用 的 机 制 、 影 响 因
素 以 及 模 型 作 初 步 的 探 讨 。
2 界 面 区 概 念 的 提 出
在 CFCC 发 展 的 早 期 , 玻 璃 陶 瓷 基 复 合 材 料 由 于
易 发 生 界 面 反 应 而 常 常 导 致 性 能 低 下 。 为 此 , 研 究 者
们 尝 试 在 纤 维 表 面 先 行 制 备 一 定 物 理 厚 度 的 涂 层 , 以
此 来 避 免 纤 维 与 基 体 的 反 应 , 取 得 了 很 好 效 果 。 此 后 ,
纤 维 涂 层 自 然 被 用 到 连 续 纤 维 增 韧 碳 化 硅 基 复 合 材 料
中 , 并 被 称 为 界 面 相 (interphase) 或 界 面 层 (interfacial
layer)。 在 碳 化 硅 基 体 中 , 这 层 界 面 相 多 为 热 解 碳
(PyC) 和 氮 化 硼 (BN), 因 为 其 本 身 的 层 状 结 构 和
具 有 一 定 物 理 厚 度 , 促 使 裂 纹 在 与 该 层 物 质 发 生 作 用
时 , 因 (0001) 面 之 间 的 范 德 华 力 弱 结 合 而 发 生 扩 展
方 向 的 改 变 。 这 样 , 裂 纹 在 经 由 纤 维 时 , 就 可 因 足 够
厚 的 层 状 界 面 而 发 生 桥 接 , 避 免 了 对 纤 维 的 损 伤 , 使
得 材 料 整 体 表 现 为 一 伪 塑 性 行 为 , 材 料 的 破 坏 不 再 是
灾 难 性 的 瞬 时 断 裂 。 这 一 设 计 思 想 解 决 了 陶 瓷 基 体 脆
性 的 致 命 弱 点 , 使 C/SiC 和 SiC/SiC 为 代 表 的 CFCC
成 为 目 前 研 究 开 发 与 应 用 最 多 也 最 为 成 功 的 陶 瓷 基 复
合 材 料 。
图 1 为 CFCC 中 界 面 区 域 的 示 意 图 。 由 图 1 可 以
看 出 , 裂 纹 要 在 该 区 域 发 生 偏 转 ,3 个 部 分 影 响 最 大 ,
1 是 界 面 相 / 基 体 (I/M) 界 面 、2 是 界 面 相 / 纤 维 (I/F)
界 面 、3 是 界 面 相 本 身 。3 者 的 结 构 、 界 面 层 本 身 的 厚
度 和 本 征 性 质 , 决 定 着 裂 纹 达 到 该 区 域 后 的 行 为 。 这
3 者 , 因 其 相 关 性 强 , 可 以 共 同 定 义 为 ‘ 界 面 区 域 ’,
简 称 为 界 面 区 (interfacial zone)。 界 面 区 也 就 指 具 有
一 定 物 理 厚 度 , 含 有 两 处 界 面 (I/M, I/F) 与 体 相 ( 界
面 相 , I) 的 区 域 。
一 无 厚 度 的 界 面 显 然 是 非 常 不 合 理 的 。 而 后 来 的 材 料
研 究 者 , 以 法 国 热 结 构 复 合 材 料 实 验 室 为 代 表 , 则 把
其 视 为 一 个 界 面 相 , 并 由 对 界 面 相 及 其 厚 度 的 考 虑 出
发 , 提 出 多 层 界 面 层 和 自 愈 合 界 面 层 , 对 这 2 种 界 面
层 的 效 果 进 行 了 评 估 , 从 实 验 和 力 学 计 算 上 研 究 了 其
对 裂 纹 偏 转 和 抗 氧 化 的 影 响 , 使 得 界 面 研 究 取 得 了 新
的 突 破 [11~13] 。 但 是 , 他 们 忽 视 了 I/M 和 I/F 两 处 界 面 ,
使 所 得 的 裂 纹 在 界 面 区 域 的 行 为 不 够 完 善 。
为 此 , 本 研 究 将 从 所 定 义 的 界 面 区 出 发 , 即 同 时
考 虑 I/M,I/F 与 界 面 相 3 个 部 分 , 选 取 目 前 最 为 普 遍
的 单 一 界 面 层 而 非 多 层 界 面 层 , 对 裂 纹 与 界 面 区 的 相
互 作 用 进 行 研 究 。
3 实 验 方 法
选 取 化 学 气 相 浸 渗 (Chemical Vapor Infiltration,
CVI) 工 艺 制 备 的 3D C/SiC [2] , 从 体 材 上 斜 向 切 取 一
200 µm 厚 的 Φ3 mm 薄 片 , 磨 至 100 µm 左 右 后 , 使 用
Gatan656 型 凹 坑 仪 凹 至 中 心 部 位 20~30 µm 厚 为 止 ,
置 于 Gatan 691 型 离 子 减 薄 仪 中 ,5 kV 下 离 子 减 薄 至
中 心 透 过 。 于 200 kV 工 作 电 压 下 , 利 用 JEOL-2010
高 分 辨 透 射 电 镜 对 试 样 进 行 微 结 构 观 察 , 并 采 用 电 子
衍 射 确 定 各 相 。 实 验 在 沈 阳 材 料 科 学 国 家 实 验 室 固 体
原 子 像 研 究 部 完 成 。
4 结 果 与 讨 论
3D C/SiC 复 合 材 料 的 内 部 微 观 组 织 结 构 如 图 2 所
示 。 由 图 2 可 知 , 该 界 面 相 为 热 解 碳 , 由 C 4 H 10 气 体
于 900 ℃ 左 右 分 解 获 得 , 约 厚 200 nm。 其 电 子 衍 射 花
样 与 图 中 C 纤 维 衍 射 花 样 中 的 两 小 短 弧 相 比 , 接 近 于
圆 环 , 显 示 出 非 常 微 弱 的 织 构 性 。 结 合 高 分 辨 TEM 观
Matrix
I/M interface
I/M interface
Interphase
Interfacial zone
Interphase
Matrix
I/F interface
I/F interface
Fiber
Fiber
200nm
图 1 CFCC 中 界 面 区 示 意 图
Fig.1 Schematic illustrating the ‘interfacial zone’ of CFCC
由 此 定 义 可 知 , 以 往 力 学 研 究 中 把 界 面 区 简 化 为
图 2 3D C/SiC 的 内 部 微 观 组 织 结 构 及 界 面 相 与 纤 维
的 电 子 衍 射 花 样
Fig.2 TEM image and the electron diffraction pattern of PyC
interphase and carbon fiber for the 3D C/SiC composites

第 9 期 李 建 章 等 : 纤 维 增 韧 碳 化 硅 陶 瓷 基 复 合 材 料 的 界 面 区 研 究 ·1541·
察 , 可 确 定 界 面 相 体 内 为 乱 层 石 墨 结 构 , 呈 现 出 各 向
同 性 。
4.1 裂 纹 在 界 面 区 的 单 重 偏 斜
根 据 TEM 观 察 , 裂 纹 在 到 达 界 面 区 后 , 于 I/M 处
界 面 、I 内 、I/F 处 界 面 等 位 置 发 生 偏 斜 。 这 是 由 于 裂
纹 偏 斜 / 贯 穿 两 者 之 间 的 相 互 竞 争 中 , 裂 纹 随 着 时 间 演
变 和 位 置 的 推 移 而 扩 展 时 , 在 路 程 的 某 特 定 处 偏 斜 占
据 优 势 的 结 果 。 对 于 本 CVI 工 艺 制 备 的 3D C/SiC 材
料 中 , 偏 斜 主 要 发 生 在 I/M 界 面 ( 图 3) 和 界 面 相 内
( 图 4),I/F 界 面 处 的 偏 斜 较 少 。 这 可 能 是 由 于 3D
C/SiC 中 I/F 界 面 结 合 比 I/M 界 面 结 合 强 的 缘 故 。
在 沿 着 界 面 行 进 了 一 段 路 程 后 , 又 以 混 合 方 式 斜 向 延
伸 至 界 面 相 体 内 , 在 某 处 再 次 偏 斜 。 有 时 , 偏 斜 / 贯 穿
两 者 会 同 时 发 生 。 图 5 是 裂 纹 发 生 多 重 偏 斜 的 TEM
照 片 。 由 图 5 可 看 到 , 基 体 主 裂 纹 在 I/M 界 面 处 , 一
边 沿 该 界 面 发 生 偏 斜 , 类 似 于 二 次 裂 纹 ; 另 一 边 则 贯
穿 至 界 面 相 内 , 至 界 面 相 某 处 后 发 生 偏 转 。 此 外 , 由
图 5 还 可 发 现 , 裂 纹 在 基 体 中 的 扩 展 也 有 类 似 与 界 面
区 的 多 重 偏 斜 现 象 。
100nm
图 3 基 体 主 裂 纹 在 I/M 界 面 发 生 偏 斜 的 TEM 照 片
Fig.3 TEM image of the matrix crack deflected
along the I/M interface
100nm
图 4 基 体 主 裂 纹 在 I/M 界 面 和 界 面 相 内 发 生 偏 斜 的 TEM 照 片
Fig.4 TEM image of the matrix crack deflected along the I/M
interface and within the interphase
4.2 多 重 偏 斜
在 裂 纹 与 界 面 区 的 相 互 作 用 中 , 由 于 界 面 区 厚 为
200 nm 左 右 , 因 此 裂 纹 有 较 长 的 扩 展 路 程 , 从 而 增 加
了 两 者 相 互 作 用 的 几 率 。 裂 纹 不 时 在 偏 斜 / 贯 穿 两 者 中
来 回 转 换 , 有 时 呈 现 出 Mode I 方 式 , 有 时 呈 现 出 Mode
II 方 式 , 或 者 是 Mode I 和 II 的 混 合 式 。 所 以 , 裂 纹 到
达 界 面 区 后 , 更 多 的 是 表 现 出 多 重 偏 斜 , 这 有 助 于 更
多 地 耗 散 能 量 , 增 加 材 料 的 韧 性 。 由 图 4 可 看 到 , 裂
纹 扩 展 至 M/I 界 面 后 , 由 Mode I 方 式 转 变 成 Mode II,
Fig.5
图 5 裂 纹 发 生 多 重 偏 斜 的 TEM 照 片
TEM image of the illustrating multiple deflection
of matrix crack in the interfacial zone
4.3 其 他 偏 斜 方 式
实 际 上 , 按 照 Cook 和 Gordon [14] 提 出 的 机 制 , 由
于 裂 纹 前 方 会 诱 发 应 力 集 中 , 因 此 有 可 能 沿 着 某 个 弱
的 界 面 萌 生 出 二 次 裂 纹 。 图 6 为 裂 纹 前 端 区 域 的 应 力
分 布 。 由 图 6 可 知 , 应 力 σ x 平 行 于 裂 纹 方 向 , 在 裂 纹
尖 端 前 方 的 某 处 达 到 最 大 值 ; 应 力 分 量 σ y 垂 直 于 裂 纹
面 , 于 裂 纹 尖 端 处 最 大 。 因 此 , 在 裂 纹 尖 端 前 σ x 最 大
值 处 , 若 此 处 的 界 面 结 合 ( 或 内 部 结 合 力 ) 弱 于 σ xmax ,
则 产 生 二 次 裂 纹 。 例 如 , 当 I/F 界 面 结 合 较 弱 时 , 随
着 裂 纹 尖 端 的 靠 近 ,σ x 逐 渐 增 加 , 当 其 值 超 过 该 处 的
结 合 时 , 诱 发 脱 粘 裂 纹 。 在 本 研 究 中 , 由 于 I/F 界 面
结 合 较 强 , 未 观 察 到 此 现 象 。 仅 在 裂 纹 前 端 的 界 面 相
Matrix
crack
y
σ y
σ x
200nm
[14]
图 6 裂 纹 前 端 区 域 的 应 力 分 布
Fig.6 The stress dustribution ahead of the matrix crack [14]
x

·1542· 稀 有 金 属 材 料 与 工 程 第 36 卷
内 及 纤 维 表 层 内 发 现 二 次 裂 纹 , 如 图 7 所 示 。 这 很 可
能 是 由 于 热 解 碳 和 碳 纤 维 内 的 片 层 间 结 合 力

第 9 期 李 建 章 等 : 纤 维 增 韧 碳 化 硅 陶 瓷 基 复 合 材 料 的 界 面 区 研 究 ·1543·
根 据 以 上 的 实 验 现 象 , 可 以 建 立 起 基 体 裂 纹 到 达
界 面 区 后 发 生 偏 斜 的 可 能 位 置 、 基 体 裂 纹 在 界 面 区 发
生 多 重 偏 斜 以 及 基 体 裂 纹 尖 端 前 方 发 生 脱 粘 的 可 能 形
式 这 3 种 情 况 的 模 型 , 以 作 为 力 学 分 析 使 用 , 如 图 9,
图 10 和 图 11 所 示 。 其 中 图 9 所 示 模 型 与 CarrèreN 等
a
b
c
M I F M I F M I F
[12]
人 提 出 的 相 同 。 实 际 上 , 在 初 步 的 力 学 分 析 与 行 为
模 拟 时 , 虽 然 上 述 模 型 有 较 强 的 实 用 性 ( 参 见 后 续 文
章 ), 但 是 , 由 于 其 过 于 简 化 , 故 在 更 为 深 入 和 复 杂 的
分 析 模 拟 中 , 必 须 对 这 些 模 型 进 行 修 正 , 以 获 得 准 确
的 结 果 。 如 基 体 模 型 必 须 把 其 生 长 方 式 、 形 态 、 晶 粒
大 小 考 虑 进 去 ; 界 面 区 的 两 处 界 面 (I/M 和 I/F) 必 须
考 虑 其 粗 糙 度 ; 界 面 相 也 并 非 如 图 中 显 示 出 强 烈 的 各
向 异 性 , 更 多 的 时 候 则 是 乱 层 石 墨 , 取 向 度 较 差 。
Secondary multiple deflection
Crack
Crack
Crack
M
I
Matrix crack
图 9 基 体 裂 纹 在 界 面 区 发 生 偏 斜 / 贯 穿 的 位 置 示 意 图
Fig.9 Sketch maps of the matrix cracks deflected and penetratedin
different interfaces: (a) the matrix/interphase
interface, (b) the middle of the interphase, and (c) the
interphase/fiber interface
Multiple deflection
图 10 基 体 裂 纹 在 界 面 区 发 生 多 重 偏 斜 的 示 意 图
Fig.10 Schematic showing the multiple deflection
of the matrix crack
M
I
F
a
M
I
F
b
M
I
F
c
M
I
F
d
Matrix crack
Matrix crack
Matrix crack
Matrix crack
Debond crack
Debond
Possible deflection
Debond crack
Debond crack
图 11 基 体 裂 纹 尖 端 前 发 生 脱 粘 的 可 能 形 式
Fig.11
Possible forms of matrix cracks debonded in different interfaces: (a) the interphase/matrix interface, (b) the middle
of the interphase, (c) the interphase/fiber interface, and (d) the fiber surface layer
5 结 论
1) 连 续 纤 维 增 强 陶 瓷 基 复 合 材 料 内 , 基 体 主 裂 纹
可 以 在 界 面 区 内 的 多 处 位 置 发 生 单 多 重 偏 斜 ;CVI 制
备 的 3D C/SiC 的 裂 纹 偏 斜 多 发 生 于 界 面 相 内 和 M/I
界 面 处 。
2) 由 于 裂 纹 尖 端 前 方 产 生 应 力 集 中 , 界 面 区 及 其
附 近 的 多 个 位 置 易 发 生 脱 粘 或 开 裂 , 从 而 对 界 面 区 内
的 偏 斜 产 生 影 响 。 由 于 本 CVI 工 艺 制 备 的 F/I 界 面 结
合 较 强 ,3D C/SiC 偏 向 于 界 面 相 内 和 纤 维 表 层 形 成 二
次 裂 纹 。
3) 在 3D C/SiC 内 , 普 遍 存 在 纳 米 尺 度 的 微 裂 纹
桥 连 , 对 于 CFCC 的 增 韧 起 到 一 定 的 作 用 。
4) 初 步 建 立 起 3D C/SiC 内 基 体 裂 纹 与 界 面 区 相
互 作 用 的 物 理 模 型 。
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Interfacial Zone in Continuous Fiber-Reinforced Ceramic Composites
Li Jianzhang 1, 2 , Zhang Litong 1 , Cheng Laifei 1 , Xu Yongdong 1 , Li Douxing 2
(1. National Key Laboratory of Thermostructure Composite Materials, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)
(2. Institute of Metal Research, CAS, Shenyang 110016, China)
Abstract: A special area with certain thickness located between matrices and fibers is defined as ‘interfacial zone’ in this paper, which
consists of a bulk phase (often called as interphase) and two interfaces, that is, the interphase/matrix interface and the interphase/fibre
interface. The interactions between interfacial zone and matrix cracks are studied by transmission electron microscopy (TEM). It is found
in the 3D C/SiC continuous fiber-reinforced ceramic composites (CFCC) that three kinds of interactions, i.e., the single and multiple
deflection of matrix cracks, the debond or second cracks induced by the stress concentration ahead of matrix cracks tip, and the microcrack
bridging mechanism at the nanometric scale, are observed at various places within and around the interfacial zone due to the evolvement
of crack deflection/penetration competition. The analysis shows that these behaviors and their places are determined both by the toughness
of correlative interfaces or fracture in the interfacial zone. Besides, some models are proposed for these interactions.
Key words: continuous fiber-reinforced ceramic composites; 3D C/SiC; interfacial zone; crack; deflection
Biography: Li Jianzhang, Candidate for Ph. D., National Key Laboratory of Thermostructure Composite Materials, Northwestern Polytechnical
University, Xi’an 710072, P. R. China, Tel: 0086-29-88486068-814, E-mail: jianzhang_li@163.com