科学网—陕科大欧阳海波等：受榫卯连接启发界面结构设计协同增强Cf/(HfNbTaTiZr)C-SiC复合材料的力学和抗热冲击性能-清华大学出版社学术期刊的博文
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2026-2-5 14:12
| 个人分类: JAC | 系统分类: 论文交流
原文出自 Journal of Advanced Ceramics ( 先进陶瓷 ) 期刊
Cite this article:
Shen T, Li C, Ouyang H, et al. A mortise-tenon joint inspired interface structure design for synergistically enhancing the mechanical properties and thermal shock resistance of Cf/(HfNbTaTiZr)C-SiC composites. Journal of Advanced Ceramics , 2025, https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221227
文章 DOI ： 10.26599/JAC.2025.9221227
ResearchGate ： A mortise-tenon joint inspired interface structure design for synergistically enhancing the mechanical properties and thermal shock resistance of Cf/(HfNbTaTiZr)C-SiC composites
1 、 导读
碳纤维增强高熵碳化物陶瓷复合材料的性能受限于纤维与基体之间较弱的界面结合。为提高界面结合，受中国传统榫卯结构的启发，本研究提出了一种基于榫卯接头的界面设计策略。将碳微球沉积于碳纤维表面作为 “ 榫头 ” 嵌入 (TiZrHfNbTa)C-SiC 基体形成榫卯结构，在复合材料中形成机械互锁界面。在此基础上，引入 TiC 涂层改性技术，进一步实现了界面化学 - 物理桥接的协同效应。基于这种独特的界面连接， Cf/(TiZrHfNbTa)C-SiC 复合材料表现出优异的力学性能及抗热震性。
文章摘要图
2 、 研究背景
以 (TiZrHfNbTa)C 为代表的高熵碳化物陶瓷 (HECs) 作为新一代超高温陶瓷 (UHTCs) 体系的重要组成部分，凭借其优异的抗氧化与抗烧蚀性能、极高的熔点以及良好的硬度与强度匹配，在航天器热防护系统等极端服役环境中展现出广阔的应用前。然而， HECs 固有的本征脆性已成为制约其在超高温结构件中进一步应用的关键因素。碳纤维具有低密度、近零热膨胀系数、超高比强度与比模量以及优异的导热性能等显著特性。通过将碳纤维引 UHTCs 基体中所构建的 UHTCs 基复合材料，不仅实现了单一陶瓷材料难以达到的断裂韧性显著提升，还兼具低密度、高机械强度及优良抗热震性等综合性能优势。然而， UHTCs 基复合材料力学性能的充分发挥，高度依赖于纤维与基体之间高效的载荷传递机制，而界面结合强度不足已成为制约其性能提升的关键瓶颈。
受中国传统榫卯结构中物理互锁机制的启发，本研究提出了一种基于榫卯结构的界面设计策略。该策略采用表面沉积有碳微球的碳纤维作为 “ 榫头 ” ，以 (TiZrHfNbTa)C-SiC 陶瓷基体作为 “ 卯眼 ” 。通过放电等离子烧结 (SPS) 技术，实现了碳纤维与陶瓷基体之间的有效机械互锁。在此基础上，引入 TiC 涂层改性技术，进一步实现了界面的化学 - 物理桥接的协同效应。基于这种独特的界面连接方式， Cf/(TiZrHfNbTa)C-SiC 复合材料展现出优异的力学性能，其弯曲强度和断裂韧性分别达到 1053.33 MPa 和 9.77 MPa·m 1/2 。同时，强界面结合促进了热应力的有效耗散，赋予该复合材料卓越的抗热震性能 ( 临界热冲击温差 ΔTc = 802°C) 和耐烧蚀性能 ( 线性烧蚀率和质量烧蚀率分别为 3.27 μm/s 和 0.05 mg/s) 。本研究为设计适用于极端环境的高性能超高温陶瓷复合材料提供了一种切实可行的策略。
3 、文章亮点
（ 1 ）将碳微球沉积于碳纤维表面作为 “ 榫头 ” 嵌入 (TiZrHfNbTa)C-SiC 基体形成榫卯结构，在复合材料中形成机械互锁界面。
（ 2 ）引入 TiC 界面层， TiC 扩散促进 C 层催化石墨化，导致界面形成多层石墨烯（ MLG ）夹层。进一步增强纤维与基体之间的化学键合和机械互锁作用，增加裂纹偏转。
（ 3 ）得益于这一独特的界面结构，所制备的 Cf/(TiZrHfNbTa)C-SiC 复合材料表现出 1053.33 MPa 的抗弯强度和 9.77 MPa · m 1/2 的断裂韧性，比没有榫卯结构的样品分别高出 58% 和 30% 。
4 、研究结果及结论
复合材料的表面形貌显示，在 CHS-5 样品中，陶瓷颗粒已完全填充至碳纤维表面的碳球间的空隙，使基体与纤维之间形成了良好的机械互锁，类似于木制建筑中的榫卯连接 ( 图 2c) 。对复合材料中纤维与基体界面结构的表征结果表明， TiC 扩散促进了 C 层的催化石墨化，导致界面形成 MLG 夹层。 MLG 的形成可进一步增强纤维与基体之间的化学键合和机械互锁作用，增加裂纹偏转。
图 1 复合材料表面形貌 (a-c) 以及纤维与基体之间界面层的形貌与结构分析： (d) 界面 SEM 图像， (e) 界面 TEM 图像， (f) 图 (e) 对应的 EDS 映射， (g1-g3) 界面反应层的 HRTEM 图像、晶面间距测量及其 SAED 图谱。
力学性能测试结果表明，具有榫卯结构的 Cf/(TiZrHfNbTa)C-SiC 复合材料 (CHS-5) 表现出最高的抗弯强度和断裂韧性 ( 图 2a 和 2b) ，分别达到 1053.33 MPa 和 9.77 MPa·m 1/2 。裂纹扩展路径及断口形貌进行对比分析显示， CHS-5 样品中被拔出的纤维表面除附着 MLG 外，还保留了原始的碳球结构 ( 图 2g1 和 2g2) 。这也证实了碳球在构建纤维和基体的榫卯连接方面起着重要作用。
图 2 (a) 抗弯强度和断裂韧性， (b) 机械性能对比， (c) CHS-1 和 (d) CHS-5 样品的裂纹扩展形态， (e) 裂纹扩展后的界面行貌， (f1-f3) CHS-1 和 (g1-g3) CHS-5 样品的断口表面形貌。
对复合材料进行了不同温度下的水淬法抗热震性能测试以及氧乙炔火焰循环烧蚀性能测试，结果表明， CHS-5 样品的临界热冲击温差 ΔTc 到达 802 ℃ ( 图 3a) ，且经过三次、每次 60 秒的循环烧蚀测试后样品未开裂，证明其具有优异的抗热冲击性能。另外 CHS-5 样品也表现出优异的耐烧蚀性能。这归功于榫卯结构和 MLG 层显著提升了复合材料的抗热震性能。未开裂得 CHS-5 样品表面可形成连续覆盖的氧化皮，可对基体起到良好的热防护。
图 3 复合材料抗热冲击性与耐烧蚀性能对比： (a) 残余强度和 (b) 强度衰减率随热冲击温差的变化， (c) 表面形貌变化， (d) 表面温度变化， (e) 烧蚀后的物相分布， (f) 质量烧蚀率与线性烧蚀率， (g) 耐烧蚀性能对比。
由于普通碳纤维较为平直的表面仍然易导致纤维的快速拔出和脱粘，以及裂纹迅速扩展等问题。相比之下，具有榫卯连接结构的机械互锁界面有效解决了上述问题。复合材料力学性能的进一步提升主要归因于以下三种机制：第一，表面附着碳球的碳纤维能够与基体形成良好的榫卯连接结构，从而实现应力从基体向纤维的有效传递。在此机制下，纤维与基体之间的相对滑移受到抑制，显著延缓了纤维拔出与脱粘过程，进而提高材料的强度；第二，嵌入基体中的碳球产生钉扎效应，能够阻碍裂纹扩展并诱导其发生连续的大角度偏转；第三，碳球的存在使纤维表面呈现不规则形貌，显著延长了裂纹的扩展路径，从而耗散更多断裂能，提高材料的断裂韧性。因此通过引入仿榫卯连接的界面结合方式，实现了纤维与基体之间的有效机械互锁，显著提升了界面性能。在该结构设计下，碳纤维增强的 Cf/(TiZrHfNbTa)C-SiC 复合材料实现了强度与韧性的协同增强。
图 4 具有不同纤维 - 基体界面强化的 Cf/(TiZrHfNbTa)C-SiC 复合材料强韧化机理： (a) 平直界面， (b) 具有榫卯结构的界面
5 、作者及研究团队简介
申天展（第一作者）， 陕西科技大学材料科学与工程学院博士研究生，研究方向为高熵碳化物陶瓷基复合材料的制备及力学与抗烧蚀性能研究
作者邮箱： tzshen2243@163.com
欧阳海波（通讯作者） ，工学博士，陕西科技大学教授，博士研究生导师，陕西省青年科技新星，陕西省重点科技创新团队核心成员，主要从事超高温陶瓷和复合材料的低成本绿色制备及功能化应用研究。在 Journal of Advanced Ceramics 、 Journal of Materials Science & Technology ， Journal of the European Ceramic Society 、 Corrosion science 等国内外高水平期刊发表学术论文 80 余篇；授权国家发明专利 20 余件 , 部分成果实现转化。承担了国家自然科学基金、陕西省重点研发项目、国防重点实验室开放基金等 10 余项纵向科研项目。研究成果获教育部技术发明二等奖 1 项，陕西省科学技术二等奖 2 项。
作者及研究团队在 Journal of Advanced Ceramics 上发表的相关代表作：
1 ） Li C, Gao R, Ouyang H, et al. Hierarchical porous (Ta 0.2 Nb 0.2 Ti 0.2 Zr 0.2 Hf 0.2 )C high-entropy ceramics prepared by a self-foaming method for thermal insulation. Journal of Advanced Ceramics , 2024, 13(7): 956-966. https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220909
《先进陶瓷（英文）》（ Journal of Advanced Ceramics ） 期刊简介
《先进陶瓷（英文）》于 2012 年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版， 清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室 提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为中国科学院院士、清华大学林元华教授、郑州大学周延春教授和广东工业大学林华泰教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被 SCIE 、 Ei Compendex 、 Scopus 、 DOAJ 、 CSCD 等数据库收录。现为月刊， 2024 年发文量为 174 篇； 2025 年 6 月发布的影响因子为 16.6 ，连续 5 年位列 Web of Science 核心合集 “ 材料科学，陶瓷 ” 学科 33 种同类期刊第 1 名； 2024 年 11 月入选 “ 中国科技期刊卓越行动计划二期 ” 英文领军期刊项目； 2025 年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学 1 区 Top 期刊。 2023 年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台 SciOpen 独家发布，标志着该刊结束多年来 “ 借船出海 ” 的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。
期刊主页： https://www.sciopen.com/journal/2226-4108
投稿地址： https://mc03.manuscriptcentral.com/jacer
期刊 ResearchGate 主页： https://www.researchgate.net/journal/Journal-of-Advanced-Ceramics-2227-8508
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