三维编织SiC/SiC复合材料高温力学行为试验与模拟研究

Developing high performance jet engine is one of important demands of national strategy. 3D braided SiC/SiC ceramic matrix composites is one of the key candidate materials for hot section components of aircraft engine.This project is aiming to establish a mechanical platform to experimentally investigate the viscoelasticity, creep, fatigue and damage mechanism, nonliner constitutive behavior of 3D braided SiC/SiC composites at elevated temperature.The research objective is to simulate service loading of hot section components. Furthermore, mechanical behaviors, damage evolution, failure mechanism and rupture strength would be scientifically analyzed and evaluated for braided CMCs structures under cyclic fatigue loading. The execution of this project can promote to constitute mechanical property database of braided CMCs hot components.

发展先进高性能航空发动机是我国重大战略需求之一。三维编织SiC/SiC陶瓷基复合材料是热端部件的主要候选材料。本项目拟建立一套动态高温力学实验平台，开展三维编织SiC/SiC陶瓷基复合材料高温粘弹性、蠕变、疲劳行为与损伤机理研究。内容包括高温粘弹行、非线性损伤与应力应变及高温蠕变变形行为与建模、服役应力/温度组合条件下高温持久强度－寿命行为与评价技术、考虑组分性能退化的高温低循环疲劳行为与寿命预测模型、以强度和寿命为目标的编织高温结构优化设计等与发动机热端部件耐久性相关的基础实验和理论研究，科学地衡量在发动机高温循环载荷下热端编织材料的力学行为、损伤演化和失效机理、持久强度等耐久性问题。本项目的实施可促进三维编织SiC/SiC陶瓷基复合材料高温力学行为的研究，加强编织高温结构的设计、性能控制和优化，推动SiC/SiC复合材料早日应用与先进航空发动机设计和制造，提高航空动力装备水平。

陶瓷基复合材料（Ceramic Matrix Composite，CMCs）是未来先进航空发动机热端关键结构的主要材料。CMCs应用于发动机热端部件，需要在整机-部件-模拟件-试样级别进行大量的试验验证和理论分析，确保其在发动机工作环境和服役周期内的持续承载能力，并且不能发生灾难性破坏。因此有必要开展针对性的材料力学性能的研究，为结构载荷分析、强度校核及寿命预测提供支持。.本项目通过试验、理论和有限元模拟分析，对国产新型三维编织陶瓷基复合材料高温力学行为开展了深入研究。建立了针对陶瓷基复合材料高温力学行为研究的试验测试系统，能开展最高温度1300oC的大气有氧环境下CMCs材料长时间高温力学行为试验研究。在此基础上，开展了三维编织SiC/SiC材料主方向的高温拉伸、蠕变和疲劳试验，较为系统地获得了该材料的高温力学性能数据。通过开展1100oC和1300oC的拉伸和蠕变试验，揭示了不同温度下材料变形行为的差异。建立了3D SiC/SiC高温变形微观力学模型，利用纤维和基体蠕变参数获得了3D-SiC/SiC的宏观蠕变变形曲线，揭示了不同温度、不同应力状态对该材料高温变形行为的影响机制。系统深入地揭示了3D SiC/SiC在1100oC至1300oC的高温破坏机理，揭示了多尺度微结构演变对宏观失效行为的影响并建立了基于微观参数的强度模型，准确预测了3D-SiC/SiC高温拉伸强度；建立了耦合材料损伤演化和纤维强度退化的寿命分析模型，获得了寿命与应力的关系。建立和发展了微观-细观-宏观的多尺度3D-SiC/SiC本构模型。建立了分别用于刚度预报和强度模拟的细观模型，利用均匀化方法获得了材料的宏观各向异性的刚度矩阵、拉伸曲线和拉伸强度，研究了编织参数对刚度、热膨胀系数的影响；揭示了复杂载荷下不同尺度的损伤内在演化规律和对宏观力学性能退化的定量影响。