復(fù)雜預(yù)制體陶瓷基復(fù)合材料疲勞失效機(jī)理及多尺度模擬.pdf

1、目前，陶瓷基復(fù)合材料（CMCs）已經(jīng)在航空航天領(lǐng)域中獲得了初步應(yīng)用，并展現(xiàn)出光明的應(yīng)用前景。工程應(yīng)用中的CMCs通常具有復(fù)雜的預(yù)制體結(jié)構(gòu)，在不同尺度下呈現(xiàn)出不同的損傷模式，其最終失效也是多尺度損傷演化的共同結(jié)果。本文據(jù)此背景，以針刺C/SiC陶瓷基復(fù)合材料為研究對(duì)象，對(duì)復(fù)雜預(yù)制體CMCs的疲勞失效機(jī)理和多尺度力學(xué)分析方法開展了深入研究。
　　開展了C/SiC小復(fù)合材料、針刺單向C/SiC陶瓷基復(fù)合材料和針刺二維C/SiC陶瓷基復(fù)合

2、材料三種CMCs（預(yù)制體由簡(jiǎn)單到復(fù)雜）的力學(xué)試驗(yàn)研究。獲取了C/SiC小復(fù)合材料單調(diào)拉伸特性和拉伸加卸載特性、針刺單向C/SiC陶瓷基復(fù)合材料拉-拉疲勞特性以及針刺二維C/SiC陶瓷基復(fù)合材料的拉-拉疲勞特性；發(fā)現(xiàn)了針刺二維C/SiC陶瓷基復(fù)合材料的疲勞強(qiáng)化特性，并討論了疲勞強(qiáng)化程度與應(yīng)力水平和加載循環(huán)數(shù)之間的關(guān)系。
　　采用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡對(duì)上述三種CMCs的失效斷口進(jìn)行了觀察分析。參照單向纖維增強(qiáng)CMCs失效機(jī)制，對(duì)

3、C/SiC小復(fù)合材料的失效過程進(jìn)行了分析；通過對(duì)比失效斷口形貌和細(xì)觀損傷模式，對(duì)針刺單向C/SiC陶瓷基復(fù)合材料疲勞失效機(jī)制、針刺二維C/SiC陶瓷基復(fù)合材料疲勞失效機(jī)制和疲勞強(qiáng)化機(jī)制進(jìn)行了討論；在失效機(jī)理分析基礎(chǔ)上，發(fā)展了一種基于wear-in和wear-out機(jī)制的剩余強(qiáng)度模型，揭示了針刺二維C/SiC陶瓷基復(fù)合材料疲勞剩余強(qiáng)度隨加載循環(huán)數(shù)的變化規(guī)律。
　　由于復(fù)雜預(yù)制體CMCs疲勞損傷演化的不均勻性，其內(nèi)部小復(fù)合材料將經(jīng)歷復(fù)

4、雜載荷歷程。為了解決小復(fù)合材料復(fù)雜載荷歷程應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)的模擬，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜預(yù)制體CMCs疲勞失效分析，發(fā)展了一種基于界面滑動(dòng)摩擦的細(xì)觀力學(xué)模型。不同于傳統(tǒng)的剪滯模型，它由纖維/基體界面的滑動(dòng)摩擦定律出發(fā)，可以直接求解出界面滑移區(qū)的分布和演變。應(yīng)用該模型分析了單向纖維增強(qiáng)CMCs的界面滑移規(guī)律，并進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜載荷歷程應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)的預(yù)測(cè)和疲勞性能的模擬。與單向纖維增強(qiáng)SiC/CAS復(fù)合材料和C/SiC小復(fù)合材料試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比表明，該模

5、型可以很好預(yù)測(cè)單向纖維增強(qiáng)CMCs的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)和疲勞壽命。
　　針對(duì)具有復(fù)雜預(yù)制體的針刺C/SiC陶瓷基復(fù)合材料，提出了一種多尺度力學(xué)分析方法。采用XCT技術(shù)選取復(fù)合材料的代表體元，代表體元內(nèi)的基本組元——小復(fù)合材料——的力學(xué)特性則采用本文提出的細(xì)觀力學(xué)模型來描述，通過非線性有限元計(jì)算便可模擬復(fù)合材料應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)，在此基礎(chǔ)上引入疲勞失效判據(jù)，最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)合材料疲勞壽命的預(yù)測(cè)。與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比表明，該多尺度方法能較好地預(yù)測(cè)針