多场耦合条件下细观结构对C/SiC复合材料损伤演化行为的影响研究

Carbon fiber reinforced silicon carbide matrix (C/SiC) composites possess excellent high temperature microstructure stability and good thermo-mechanical properties, which are expected to overcome the high temperature limitations of superalloys and becoming the new alternative materials for use in extreme environments. At present, in order to control and assure the quality of structure, improve the properties and to directly support the future retrofit applications of C/SiC composites, it is quite necessary to understand the correlation between the microstructure and macro-performance of C/SiC composites at complex loading state. Therefore, based on the recent research findings, in this proposed work, the objectives is to investigate the constituting properties and damage mechanism of C/SiC composites by micro-scale and macro-scale mechanical test combing with non-destructive evaluation (NDE) method and microstructure analysis. Firstly, the deformation and fracture characteristics of C/SiC composites with varied constituting phases are measured at the macro scales by using the bending, compression and monotonic-tension test at elevated temperatures. Then, the micro-scale mechanical tests are applied to characterize the mechanical behavior of very small regions. From the micro-scale mechanical tests, the damage and fracture mechanisms of constituent of composite under multiple loading-unloading conditions could be reevaluated. At last, by correlating the macro-and micro-analysis of mechanical behavior with the morphology, distribution and volume fraction of constituting phases, the impact of the microstructure, phase distribution and volume fraction on the constitutive behaviors and damage mechanism of C/SiC composites under multi-field coupling conditions could be understood enough. This investigation would improve prediction potential, minimize risks and lay a foundation for correlating the processing, microstructure and performance of C/SiC composites by experimental and numerical approaches.

碳纤维增韧碳化硅陶瓷基（C/SiC）复合材料有望突破高温合金使用温度所带来的瓶颈，成为能耐极端环境的新型替代材料。当前，掌握其在服役环境下的材料行为成为亟待解决的重要科学问题，而建立材料细观结构特征与环境行为之间的内在关联机制是解决这一问题的关键。本项目将基于前期已制备的不同细观结构的C/SiC复合材料，从环境与材料相互作用的物理和化学本质出发，以材料损伤和失效的环境控制因素为依据，深入C/SiC复合材料的构成要素层面，获取各细观组分在热-力-环境介质耦合场中的损伤演化函数关系，明确损伤失效演化进程中各细观损伤变量的物理意义，建立复杂环境中材料耦合损伤的宏-细观协同分析模型，揭示材料细观结构特征与环境行为之间的交互作用，实现材料制造、结构表征到服役考核的跨尺度信息获取和量化关系表达，缩短该类材料的制造与服役考核周期，从而推动其作为极端环境新型结构材料的工程化应用进展。

碳纤维增韧碳化硅（C/SiC）陶瓷基复合材料具有高韧性、高比强和高比模等优点，是一种新型低密度热结构材料，在跨大气层飞行器的热防护系统和发动机的高温热结构部件上拥有巨大的应用潜力。当前，掌握该材料体系在复杂服役条件下的材料行为，加强性能控制和可靠性分析成为研究者关注的重点。本项目深入液相反应熔渗制备C/SiC 复合材料的微观层面，厘清影响其微观组织结构和性能的关键因素，建立材料细观结构特征与宏观力学行为之间的内在关系，获取纤维/基体界面作用在力学行为退化过程中的影响机制。研究发现C/SiC复合材料微观组织结构和性能受纤维/基体结合界面所影响，随着树脂先驱体中纤维/基体界面结合强度的降低，其裂解后C/C预制体内的孔隙率升高且孔隙分布更为均匀，液相熔渗后反应生成的SiC陶瓷基体含量增多且残余硅含量降低，同时弱结合的碳纤维/碳基体界面转变为较强结合的碳纤维/碳化硅基体界面，力学性能提升显著，但过高的界面结合将减弱纤维的增韧效果，降低材料的力学性能，尤其是断裂韧性。高温力学性能测试发现在800ºC的大气环境中强度下降明显，但具有高陶瓷含量和强结合界面的复合材料的高温力学性能稳定性更高（其损伤因子小，残余强度高）。经过超高温陶瓷进行基体改性能够明显提升该类材料的耐温性，其在900ºC的大气环境和1200ºC的真空环境中依然具有优异的结构强度，在1600ºC真空环境时材料并没有完全失去结构强度，在1400ºC热冲击测试后强度保持率依然很高。抗氧化性能研究发现，无涂层的C/SiC复合材料抗氧化能力较弱，对材料微观组织结构调控能够改善其抗氧化性能，但是其效果有限，不能够满足实际工程需求，因此制备抗氧化烧蚀涂层是必须的。本研究中所制备的原位SiC纳米增韧SiC-ZrB2涂层能够很好的起到抗氧化保护作用，在动态1250ºC的流动空气环境中，材料质量基本保持不变。本项目的实施，将有利于对同类材料在复杂环境中的使用寿命进行合理可靠的分析评估，不仅可以显著改善现代飞行器的技术装备，而且也将加速民用领域内该类材料的发展和应用。