快速发展的航空航天、核能等前沿行业对能够在极端环境（如高温、高腐蚀性介质和强辐射）中长期服役的高性能结构材料的需求日益迫切[1]。碳化硅纤维增强碳化硅基复合材料（SiCf/SiC CMCs）因其出色的性能（包括低密度、优异的高温机械性能、卓越的抗氧化性和化学稳定性）而被广泛认为是最有前景的候选材料之一[2]。与本质上脆性的传统陶瓷材料（例如氧化铝）不同，SiCf/SiC CMCs通过精心设计的微观结构实现了非灾难性的“准塑性”断裂行为[3]，这显著提高了材料的可靠性和损伤容忍度[4]。
在SiCf/SiC CMCs中，界面层起着关键的双重作用：一方面，它必须具有足够的强度以促进基体与纤维之间的载荷传递；另一方面，它需要保持特定的弱化特性，以确保在基体开裂时优先发生脱粘，从而引发裂纹偏转并激活能量耗散机制（如纤维拔出）[5]，[6]。这种“弱界面”设计概念被普遍认为是实现陶瓷基复合材料增韧的核心原理[7]。在各种界面材料中，PyC是最广泛使用的界面相之一[8]，[9]。这种偏好源于其独特的层状石墨结构、可调的机械性能以及与SiC的优异化学相容性。此外，宏观复合材料（如纤维束缠绕和编织）复杂的三维（3D）结构导致应力场非常复杂。这种复杂性使得从实验数据中直接和定量提取单一界面参数（例如界面剪切强度（IFSS）极其具有挑战性。因此，界面研究通常转向结构更简单的微观复合材料——由单一纤维和基体组成的模型系统。这种简化模型减少了宏观结构的干扰，使得界面行为（如脱粘和滑动）的表征和分析更加直接和定量。
近年来，研究人员通过控制PyC界面层的厚度和微观结构来优化复合材料的宏观机械性能[10]，[11]。现有研究[12]，[13]，[14]明确指出PyC厚度与复合材料的强度和韧性之间存在非单调关系，这意味着存在一个最佳厚度范围。例如，赵等人[15]在他们对T800-C/SiC复合材料的研究中发现，当PyC厚度约为100纳米时，拉伸强度达到峰值。同样，胡和梅等人在他们关于3D Cf/ZrC-SiC复合材料的报告中强调，当PyC厚度增加到约1.2微米时，弯曲强度和断裂韧性达到最佳值，但进一步增厚会导致性能下降。尽管这些研究通过实验揭示了最佳厚度范围的存在，但机械分析往往仅限于对断裂表面形态的定性描述，如纤维拔出长度或裂纹路径的变化。因此，系统地理解界面如何在不同尺度上控制这些陶瓷基复合材料的损伤演化仍然是一个关键且紧迫的科学问题。
为了解决这一挑战，跨不同尺度的实验和模拟方法的结合逐渐引起了学术界的关注[18]，[19]，[20]。分子动力学（MD）模拟能够捕捉原子尺度上的化学键断裂和重组过程[21]。例如，尹等人的研究[22]表明，3C-SiC在裂纹扩展过程中表现出以原子滑移和局部无序为主的断裂机制。此外，王等人[23]指出，PyC界面的微观结构取向演化可以促进裂纹行为从局部滑移到均匀塑性，从而在原子尺度上实现有效的增韧。在更高尺度上，有限元分析（FEA）方法和连续介质损伤力学模型能够揭示界面对宏观损伤演化的重要影响。季等人[24]利用纤维强度分布模型发现，界面IFSS直接决定了基体裂纹扩展的稳定性。此外，Carrère和Pompidou等人[25]，[26]报告称PyC界面可以诱导裂纹偏转，特别指出垂直于石墨层的裂纹更容易发生偏转，从而延迟失效。总体而言，这些多尺度研究一致表明，界面相是控制裂纹扩展路径和复合材料增韧机制的核心因素。此外，FEA方法与MD模拟的结合，以及传统实验技术的结合，为阐明SiCf/SiC CMCs等陶瓷基复合材料的界面机制提供了可行的途径。
在本研究中，建立了一个基于SiCf/SiC CMCs界面调控机制的多尺度研究框架，以系统揭示PyC界面与这些CMCs机械性能之间的映射关系。通过制备具有不同界面厚度的SiCf/SiC微观复合材料，并结合多层次实验表征和原子/微观尺度模拟技术，我们实现了界面效应的定量表征和机制分析。本研究旨在阐明界面与CMCs的强度和韧性之间的相关性，并揭示多个尺度上的界面机制，从而为SiCf/SiC CMCs及相关无机复合材料的界面优化和制备设计提供理论基础。
