基于分子动力学和格林函数的SiC/Ti基复合材料多尺度研究

碳化硅纤维增强钛基（SiC/Ti）复合材料一个显著特征是具有宏-细观强耦合关联的多尺度特征，因此对其结构设计、制备工艺、性能演化、损伤失效的表征与预报必须建立在多尺度研究基础上。本项目把分子动力学、有限元分析和格林函数结合起来进行SiC/Ti复合材料多尺度研究，建立"微观-细观-宏观"深入到原子级的多尺度模型。揭示SiC/Ti复合材料界面结合能、元素分布，微区失效等微观信息对其宏观力学响应和弹塑性性能的影响，为SiC/Ti基复合材料制备工艺、界面设计、失效分析等提供重要参考信息，进而推动SiC/Ti基复合材料在航空航天等领域的应用。

建立了SiC/Ti复合材料界面的第一性原理模型，对β-SiC、α-Ti和TiC单晶胞进行几何构型优化, 建立并筛选了低指数表面及其两两间形成的74种界面模型。揭示了SiC(111)/Ti(0001)、SiC/TiC(111)、Ti(0001)/TiC(111)等界面的稳定性和界面特性，获得了其粘附功、界面能、断裂韧性和电子结构等参数，发现孔穴位堆垛界面具有最大的界面断裂韧性，界面结合力最强，是热力学最稳定界面。基于有限元分析和格林函数多尺度模拟了SiC/Ti复合材料失效。发现失效纤维上轴向应力随着外加载荷增大而增高，当距失效端面距离超过175μm处，纤维中的轴向应力基本不受纤维断裂的影响。发现当拉伸应变为0.016时，复合材料内部有大量纤维失效，复合材料发生宏观失效。采用三维有限元模型，揭示了纤维排列方式、体积分数和基体性能对SiC/Ti基复合材料中径向、轴向和周向热残余应力的影响规律。将有限元模拟和蒙特-卡诺模拟相结合研究了界面剪切强度、纤维体积分数和纤维提前断裂对SiCf/Ti复合材料纵向力学性能和横向力学性能的影响。发现纤维与基体的界面结合强度对复合材料失效模式有重要影响。纤维体积分数越高，复合材料抗拉强度越高。个别纤维的提前断裂使低界面剪切强度复合材料应力-应变曲线上出现非线性拐点，使其纵向拉伸强度降低。发现纤维体积分数一定时，横向载荷下复合材料的界面失效模式取决于界面结合强度与温度。而温度一定时，则取决于界面结合强度与纤维体积分数。