仿生Bouligand结构Cf/ZrB2-SiC复合材料的力学性能优化与多尺度增韧机制研究

本文通过创新性制备策略成功构建了仿生Bouligand结构Cf/ZrB2-SiC复合材料，系统探究了碳纤维体积分数（20%-40%）和螺旋角（15°-60°）对力学性能的调控规律。研究发现40 vol%纤维与60°螺旋角组合试样表现最优，其弯曲强度达346.9 MPa，断裂韧性为11.8 MPa·m1/2，断裂功达5170.6 J·m-2。SEM与CT分析揭示了裂纹偏转、微裂纹扩展、纤维拔出与桥联等多尺度增韧机制，为航空航天用高性能陶瓷基复合材料（CMCs）设计提供了新范式。

　　

Highlight

本研究受自然界Bouligand结构启发，开发了一种单向碳纤维/陶瓷薄膜的创新制备方法，结合螺旋组装、压缩成型与前驱体渗透裂解（PIP）技术，成功在ZrB₂-SiC基复合材料中构建了仿生螺旋结构。通过以聚四氟乙烯（PTFE）为牺牲模板，先将碳纤维在乙醇中浸润并单向铺展成薄层，随后将聚碳硅烷（PCS）/ZrB₂-SiC复合浆料涂刷于纤维层上，再覆盖PTFE薄膜并通过热压实现定向排列。最终通过真空辅助与正压渗透联合策略实现致密化。

Results and discussion

研究结果表明，通过调控碳纤维体积分数与螺旋角可显著优化复合材料力学性能。当碳纤维体积分数提升至40%时，材料表现出最优的综合性能。进一步探索螺旋角影响发现，60°螺旋角试样展现出卓越的断裂韧性（11.8 MPa·m^1/2）与能量吸收能力（5170.6 J·m^-2）。扫描电镜（SEM）与计算机断层扫描（CT）分析显示，增韧机制主要源于多尺度裂纹偏转、微裂纹形成、纤维拔出与桥联效应。这些机制协同作用延长了裂纹扩展路径，降低了应力集中，显著提升了材料抗损伤能力。

Conclusion

本研究成功开发了基于PTFE模板法的单向碳纤维/陶瓷薄膜制备工艺，并通过螺旋组装与PIP技术实现了ZrB₂-SiC基复合材料中Bouligand结构的可控构建。系统研究证实，40 vol%碳纤维与60°螺旋角组合可最大化力学性能，其强化机制主要归因于裂纹偏转、微裂纹、纤维拔出与桥联的协同效应。该工作为设计高性能仿生结构陶瓷基复合材料提供了重要理论与实践依据。