近日，北京理工大学先进结构技术研究院张中伟教授团队在陶瓷基复合材料界面领域取得重要进展，相关研究成果以“Increasing both strength and toughness in ceramic-matrix composites via bioinspired porous interphases”为题发表于国际顶级综合类期刊《Nature Communications》（DOI: 10.1038/s41467-026-75001-z）。该工作受天然珍珠母矿物桥结构启发，原创性地提出了仿生多孔热解碳界面相设计新策略，通过在陶瓷基复合材料的纤维/基体界面相中主动构筑纳米孔结构，实现了界面脱粘强度与摩擦应力的非对称调控，突破了陶瓷基复合材料强度与韧性难以同步提升的经典瓶颈，为高性能复合材料的设计开辟了全新路径。北京理工大学张中伟教授、闫涵博士后和南京航空航天大学李龙彪为共同通讯作者，洪旺博士为第一作者。
陶瓷基复合材料因耐高温、抗氧化和高比强度，是高超声速飞行器热结构、航空发动机热端部件等极端环境的关键候选材料。然而，复合材料中纤维/基体界面的设计长期深陷矛盾：界面过强易致纤维脆断、韧性不足；界面过弱则载荷传递受限、强度下降。传统思路仅在“强”与“弱”之间寻找折中点，结果往往是强度与韧性相互掣肘。研究团队反其道而行，提出一个颠覆性问题：界面是否一定要在“强”与“弱”之间二选一？能否让界面在裂纹来临时容易脱粘，而在纤维滑移时又能保持较高的摩擦传力能力？
针对上述问题，研究团队从天然珍珠母中汲取灵感。珍珠母由文石片层、有机层和矿物桥等多级结构构成，能通过裂纹偏转、界面滑移和粗糙路径高效耗散能量。团队提炼其“多孔调控裂纹路径”的核心结构特征，并将其转化为碳纤维增强碳化硅复合材料的界面设计思路，提出仿生多孔热解碳界面相策略，使界面同时具备“易偏转、强摩擦”的双重功能，跳出传统均质致密界面的定式。
图1 仿珍珠母多孔界面相设计、制备与性能提升机制
团队采用化学气相渗透工艺，通过调控甲烷热解，在碳纤维表面制备出孔隙尺寸为数纳米、非均匀分布的多孔PyC界面，并进一步沉积SiC基体。相比传统致密层状PyC界面，该仿生多孔结构呈现疏松的纳米特征，为裂纹扩展路径的主动调控提供了全新的微结构基础。
图2 多孔 PyC 界面相制备及微结构表征
微柱压缩和纤维压入等微纳力学实验表明，纳米多孔结构的引入能够显著改变界面断裂行为。与致密型PyC 界面相相比，多孔PyC界面的脱粘强度由366.1 MPa降至198.0 MPa，而界面滑移摩擦应力由5.44 MPa提升至7.52 MPa，实现了“易偏转、强摩擦”的非对称调控。这种设计既能主动诱导裂纹在纳米孔隙域偏转、缓解纤维应力，又通过粗糙断面和曲折路径增强摩擦耗能和载荷传递能力，显著提升了能量耗散效率。
图3 多孔 PyC 界面相性能表征及裂纹扩展行为
分子动力学、有限元/相场模拟及同步辐射μ-CT原位观测进一步揭示了强韧化机制：纳米孔作为应力集中点诱导微裂纹萌生与分叉，使裂纹沿孔隙网络曲折扩展，粗糙断面阻碍滑移并增加能量耗散。多孔界面复合材料的主裂纹密度由10/mm提升至19/mm，平均裂纹张开位移（COD）由4.6 μm降至2.4 μm，说明变形能更多用于产生新微裂纹而非扩大主裂纹，显著提升材料的损伤容限和能量耗散能力。
在单束微型复合材料中，多孔界面设计的拉伸强度达903 MPa，较致密界面提升38%，断裂能提升至1.8倍。该结果证明，界面内部引入纳米孔结构，可以有效突破传统陶瓷基复合材料强度与韧性相互制约的性能边界；通过界面脱粘与摩擦行为的解耦设计，强度和韧性完全可以在传统权衡之外实现同步提升。
图4 多孔 PyC 界面相诱导裂纹偏转与多尺度强韧化机制
团队进一步将多孔界面引入三维宏观复合材料，验证其尺度放大适用性。结果表明，多孔界面相在复杂三维编织结构中依然能够有效发挥裂纹偏转、界面滑移、纤维拔出和多裂纹耗能等作用，其强韧化机制具有良好的尺寸和结构适配性。室温拉伸强度从158.5 MPa提升至385.4 MPa，增幅约1.4倍；在1200℃高温拉伸条件下，强度由80.0 MPa提升至308.1 MPa，展现了仿生多孔界面设计面向极端高温服役环境的工程应用潜力与前景。
综上所述，该工作首次通过主动构筑纳米孔结构，实现了界面脱粘强度与摩擦应力的非对称调控，突破了传统界面工程依赖经验折中的局限，推动陶瓷基复合材料界面设计从“经验优化”走向“理论指导的靶向设计”。该仿生策略具有良好的尺寸放大前景，为航空航天热结构、先进能源装备以及功能梯度界面和仿生材料开发提供了新的技术路径。
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