DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2022.11.033

陶瓷基复合材料（CMCs）是指在陶瓷基体中引入增强材料,形成以引入的增强材料为分散相,以陶瓷基体为连续相的复合材料，其设计意图旨在克服整体陶瓷的主要缺陷，即其脆性。就这方面而言，有必要了解选择增强纤维和设计纤维-基体界面的原则。因此，本文试图总结陶瓷微纳米纤维的最新进展及其对CMCs界面的影响。讨论了CMCs的发展趋势，特别是基于陶瓷微纳米纤维的新型CMCs，包括与这些纤维相关的增强和界面结构。

图1：陶瓷基复合材料概述。（A）实际和未来航空发动机材料的比强度和温度潜力。（B）从纤维到复合材料的常规CMCs制备工艺。（C）陶瓷纳米纤维（NFs）及其组件正在成为下一代CMCs的新基础。

图2：纤维候选。（A）不同纤维的分类。不可用于CMCs的纤维类型以椭圆显示。（B）熔化温度与原子间键能的关系图，描绘了不同原子间键的范围。（C,D）不同纤维类型的典型拉伸强度和模量。

图3：微纳米陶瓷纤维。（A-D）固体莫来石纤维、多孔超细SiC纤维和TiO2纳米纤维的SEM图像，以及双壁CNT的TEM图像。（E）陶瓷微纳米纤维、纳米线和纳米管的拉伸强度与纤维直径的关系。（F）微纳米陶瓷纤维发展趋势示意图。

图4：缩小尺寸后的功能。（A,B）超弹性展示，显示出大的完全可恢复应变和承受循环的能力。（C）将玻璃纳米纤维高度弯曲以达到10µm的小曲率半径。（D）ZnO纳米线的曲率半径减小了约2µm。

图5：微纳米陶瓷纤维的微观结构。（A）不同的烧结工艺，例如一步烧结和两步烧结，可以高效地在纤维中形成不同的微观结构。（B）三代商用非氧化物陶瓷纤维的微观结构，如Si-C-O纤维、低氧SiC纤维以及多晶和近化学计量的SiC纤维。（C）SiO2和SiO2-Al2O3复合纤维的原子模型。（D）多相陶瓷纤维的原子模型，其中α-氧化铝和莫来石微晶嵌入玻璃基质中。（E-J）各种中空陶瓷纤维，包括单个中空通道（E）、微管包裹纳米线（F）和两到五个中空通道（G-J）的纤维结构。

图6：CMCs中的中间相和界面。（A）SiC/SiC复合材料中单层热解碳（PyC）和多层PyC/SiC中间相的背散射电子图像。（B）在等温CVI过程中，发现PyC基质在CFs和陶瓷（SiC和ZrB2）颗粒周围生长，从而使其集成在一起。（C）分别经1200、1400和1600℃退火后，C/PyC/莫来石CMCs的断裂表面。（D）TEM显微照片显示，α-Y2SiO7在纤维-基体界面处形成主要相，而纤维-涂层界面处存在一层薄的碳膜。（E）Nextel 440/Al2O3-SiO2 CMCs中的纤维-基质界面，其中形成了70nm厚的PyC中间相。

图7：纤维-基体界面和裂纹偏转。（A）SEM图像显示了通过SiC/SiC复合材料中的（SiC/BN）n多层中间相的裂纹路径。（B）与基体开裂和界面偏差相关的局部现象。（C）不同类型的裂纹模式由纤维和中间相之间的强度决定。

图8：CNTs和石墨烯片增强。（A）SEM图像显示了裂纹和包裹的CNTs之间的典型相互作用，以及CNT（0.1wt%）/氧化铝复合材料断裂表面中的拔出现象。（B）在CNT/MgO纳米复合材料中观察到高达300-500nm的宽裂纹桥接。（C）烧结CNT/Si3N4的TEM图像显示CNTs嵌入在β-Si3N4颗粒之间。（D）石墨烯/Si3N4纳米复合材料的增韧机制，包括裂纹桥接、石墨烯片拔出和裂纹偏转。