采用化学气相沉积技术(CVD)制备得到的SiC纤维已成为金属基复合材料最具吸引力的增强体。研究者们对CVD SiC纤维进行了大量的研究,发现CVD SiC纤维的裂纹萌生主要来自纤维表面及芯丝和SiC壳层之间所形成的界面。在SiC纤维增强金属基复合材料制备和服役过程中,金属基体和SiC纤维之间会发生严重的界面反应,导致SiC纤维的损伤以及复合材料整体性能的下降甚至失效。开展SiC纤维表面和界面研究对制备高性能SiC纤维,发展金属基复合材料,满足航空航天领域对新材料的需要具有重要意义。本文围绕钨芯SiC纤维的表面和界面问题展开研究。采用两级CVD沉积方法在SiC纤维表面制备厚度为2-3μm的碳涂层,并采用第一性原理计算方法对TiCl4在碳涂层表面的吸附和分解行为进行研究。此外,采用第一性原理对SiC纤维的界面进行了理论研究。主要内容可归纳如下:(1)采用直流电加热芯丝化学气相沉积法在SiC纤维表面制备厚度为2-3μm的碳涂层。以C2H2和C3H8作为碳源气体,Ar和H2作为稀释气体,分别研究了气体配比、沉积温度、沉积级数对碳涂层厚度、纤维界面的影响。采用单向拉伸测试对裸纤维和涂碳纤维的拉伸强度和Weibull模数进行对比。实验结果表明,采用两级沉积方式,以C2H2和C3H8作为混合碳源气体,H2作为稀释气体,可得到厚度为2-3μm的碳涂层。这种碳涂层除了可以进一步地提高SiC纤维的拉伸强度和Weibull模数,而且可在钛基复合材料的制备过程及热暴露过程有效地阻止SiC纤维和钛合金基体之间发生严重的界面反应,保持SiC纤维在复合材料中的性能。(2)对SiC纤维在形成界面产物之前的β-SiC与α-W的直接接触面,即β-SiC(111)/α-W(110)界面进行第一性原理计算,从原子尺度和电子尺度对SiC/W界面进行理论研究。分别考虑了β-SiC(111)表面的两种原子封端、三种原子堆垛方式,共构建六种β-SiC(111)/α-W(110)界面模型。分别对六种界面模型进行充分的弛豫优化,计算界面粘附功、界面能、电子结构,确定最稳定热力学界面构型。结果表明,Si封端顶位堆垛界面具有最大的界面粘附功和较小的界面间距,是SiC(111)/W(110)界面的热力学稳定构型。此外,分别采用GGA泛函和sX-LDA杂化泛函对Si封端和C封端顶位堆垛界面进行分层态密度(LDOS)计算。(3)对SiC纤维中SiC壳层与界面产物WC之间界面,即SiC(111)/WC(0001)界面进行第一性原理研究。考察了SiC(111)面的两种原子封端、WC(0001)面的两种原子封端、三种原子堆垛方式、以及WC中W的亚晶格对SiC(111)/WC(0001)界面粘附功、界面能、电子结构的影响。结果表明,C/C封端顶位堆垛模型具有较大的界面粘附功。值得注意的是,无论何种原子堆垛方式,C/C封端界面经过充分的弛豫优化后均会转化为顶位堆垛界面,说明C/C封端顶位堆垛界面是SiC(111)/WC(0001)界面的热力学稳定构型。从电子结构的计算结果可以看出,C/C封端顶位堆垛结构在界面处发生了明显的电荷累积,说明在界面处形成了强的共价结合。通过对界面断裂韧性进行分析发现,SiC/WC界面的失效开始于界面或者SiC一侧,而不会始于WC一侧。(4)对可能存在于SiC纤维界面处的W/WC界面进行了第一性原理研究。考虑了WC(0001)面的两种原子封端、三种原子堆垛方式,共构建了六种界面构型。经过充分的弛豫优化,C封端界面的界面C原子除了在垂直于界面的方向上发生了位移,还在平行于界面的方向上发生了位移,导致界面C原子位于界面W原子所组成的三角形中心,从而形成最强的界面结合,得到最大的界面粘附功。因此,C封端界面是W/WC的热力学稳定构型。(5)为了进一步制备出高性能的SiC纤维保护涂层,采用第一性原理计算方法对TiCl4在碳涂层表面的吸附和分解进行研究,以便能够对制备C/TiC双涂层和C/TiC/Ti功能梯度涂层的初始阶段,即TiCl4先驱体的分解过程进行预测。首先,假设H2分子已经分解成H原子,并且吸附在碳涂层表面。接着,考察TiCl4以及分解过程中产生的中间产物在碳涂层表面三种可能吸附位置,并计算吸附能确定TiCl4以及中间产物在碳涂层表面的最优吸附模型。最后,对TiCl4在预吸附H原子的碳涂层表面的分解过程进行计算,确定能量最小反应路径(MEP)和过渡态结构。计算结果表明,TiCl4在预吸附H原子的碳涂层表面的分解是一个十分复杂的过程,须跨越多个能垒,经过多个能量极小值点。但整个过程的总能垒并不高,也就是说H2分解成H原子吸附在碳涂层表面是TiCl4分解得到Ti原子的关键。通过计算发现,H2分解成为H原子吸附在碳涂层表面所需能垒大于3 eV,且产物能量大于反应物能量。说明H2在碳涂层表面的分解并吸附需要十分苛刻的条件。因此,在实验中,如何使H2顺利地分解成为H原子吸附在碳涂层表面是首先要解决的问题。