纖維混編CMC-SiC的殘余熱應(yīng)力計算①

劉善華，張立同，邱海鵬，殷小瑋，成來飛，劉永勝 ，王 嶺，陳明偉

(1.超高溫復(fù)合材料國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西北工業(yè)大學(xué)，西安 710072；2.中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司 技術(shù)發(fā)展部，北京 101300)

纖維混編CMC-SiC的殘余熱應(yīng)力計算①

劉善華1,2，張立同1，邱海鵬2，殷小瑋1，成來飛1，劉永勝1，王 嶺2，陳明偉2

(1.超高溫復(fù)合材料國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西北工業(yè)大學(xué)，西安 710072；2.中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司 技術(shù)發(fā)展部，北京 101300)

將SiC纖維引入到C/PyC/SiC中，有望減少因C纖維與SiC基體熱膨脹系數(shù)不匹配而導(dǎo)致的基體殘余熱應(yīng)力。研究了C纖維和SiC纖維混編方式和混編比例對復(fù)合材料殘余熱應(yīng)力的影響規(guī)律。采用有限元法建模、計算了纖維混編接觸分布和相間分布復(fù)合材料的殘余熱應(yīng)力，結(jié)果表明：(1)與C/PyC/SiC比，C纖維和SiC纖維混編增強(qiáng)SiC基復(fù)合材料可減少SiC基體的殘余拉應(yīng)力；(2)相同混編比例時，纖維混編接觸分布((xC-ySiC)/PyC/SiC)復(fù)合材料的基體軸向殘余應(yīng)力比纖維混編相間分布((xC×ySiC)/PyC/SiC)復(fù)合材料基體的小；(3)以纖維混編接觸分布為例，SiC基體的軸向殘余應(yīng)力隨混編復(fù)合材料中SiC纖維的增加而減小，但當(dāng)C纖維和SiC纖維的混編比例由1∶2變?yōu)?∶4時，基體的軸向殘余熱應(yīng)力僅從174 MPa 下降到170 MPa。

SiC 基體；SiC纖維；C 纖維；殘余熱應(yīng)力；混編

0 引言

連續(xù)炭纖維增韌SiC陶瓷基復(fù)合材料(C/SiC)因具有耐高溫、高比強(qiáng)、高比模、抗氧化和抗燒蝕等優(yōu)異性能，且具有類似金屬的斷裂行為、對裂紋不敏感、無災(zāi)難性損毀等特點(diǎn)，使其具有接替金屬作為新一代高溫結(jié)構(gòu)材料的潛力[1-4]。

C/SiC復(fù)合材料的制備溫度一般在1000 °C左右，由于C纖維(Cf)的熱膨脹系數(shù)與SiC基體(SiCm)的熱膨脹系數(shù)不匹配，當(dāng)C/SiC復(fù)合材料從制備溫度冷卻到室溫時會形成殘余熱應(yīng)力(Residual thermal stress,RTS)。軸向上，因Cf的熱膨脹系數(shù)小于SiCm的熱膨脹系數(shù)，C/SiC中SiCm在室溫下受殘余拉應(yīng)力，而Cf受殘余壓應(yīng)力。殘余拉應(yīng)力往往使SiCm存在微裂紋，此外，當(dāng)復(fù)合材料受外在拉應(yīng)力時，基體所受的殘余拉應(yīng)力會與復(fù)合材料所受的拉應(yīng)力產(chǎn)生疊加效應(yīng)，引起SiCm過早開裂，從而使基體失去承載、保護(hù)界面和纖維的作用[5]。因此，研究C/SiC復(fù)合材料的殘余熱應(yīng)力分布及如何減少C/SiC復(fù)合材料的殘余熱應(yīng)力至關(guān)重要。SiC纖維(SiCf)與SiCm的熱膨脹系數(shù)接近[6-7]，將SiCf和Cf混編，從熱膨脹系數(shù)匹配的角度看可能會降低由于Cf和SiCm熱膨脹系數(shù)不匹配而引起的基體殘余熱應(yīng)力。

微復(fù)合材料(Micro-composites)由單根纖維、界面層和基體組成，是復(fù)合材料的基本單元，可用來研究陶瓷基復(fù)合材料的殘余熱應(yīng)力、力學(xué)性能和界面性能[8-15]。微復(fù)合材料的殘余熱應(yīng)力分布可在一定程度上反映復(fù)合材料的殘余熱應(yīng)力分布。Mikata等[9]建立了包括纖維、界面和基體的一個徑向尺寸無限大的圓柱模型，對復(fù)合材料的殘余熱應(yīng)力進(jìn)行研究，該方法從物理學(xué)角度研究了纖維和基體之間的相互作用。Bobet等[13-16]推導(dǎo)出一個外徑有限的同軸圓柱體模型，研究了界面類型和界面層厚度對C/SiC復(fù)合材料殘余熱應(yīng)力的影響規(guī)律。

盡管不同模型都能對纖維與基體間的殘余熱應(yīng)力進(jìn)行計算，但目前對于包含兩種不同纖維混編增韌SiC基復(fù)合材料的殘余熱應(yīng)力計算尚未見報道。本文的主要研究內(nèi)容包括：(1)C/PyC/SiC殘余熱應(yīng)力；(2)Cf和SiCf混編方式對復(fù)合材料殘余熱應(yīng)力的影響規(guī)律；(3)Cf和SiCf混編比例對復(fù)合材料殘余熱應(yīng)力的影響規(guī)律。

1 計算方法

1.1 模型建立

采用版本為4.5a的Comsol軟件建模，并計算復(fù)合材料的殘余熱應(yīng)力。C/SiC和Cf、SiCf混編復(fù)合材料的纖維體積分?jǐn)?shù)均為40%，以PyC為界面層，且厚度為0.5 μm，需要說明的是在實(shí)際C/SiC復(fù)合材料中，PyC界面層的厚度一般為0.07～0.22 μm[17]，但在計算復(fù)合材料殘余熱應(yīng)力時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)界面層的厚度低于0.5 μm時，對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時容易引起網(wǎng)格奇異，造成計算誤差，而PyC界面層在0.2～0.5 μm之間變化，對復(fù)合材料殘余熱應(yīng)力的變化規(guī)律無影響。因此，為方便建模計算，模型中PyC界面層的厚度為0.5 μm。帶箭頭的虛線表示殘余熱應(yīng)力分析路徑。

C/PyC/SiC微復(fù)合材料采用軸對稱模型建模計算，如圖1(a)所示。

Cf和SiCf混編復(fù)合材料采用三維模型建模計算，3種復(fù)合材料模型的高度均為20 μm。纖維混編方式有兩種：(1)Cf和SiCf在復(fù)合材料中相間分布，以(xC×ySiC)/PyC/SiC表示，如圖1(b)所示；(2)Cf和SiCf接觸分布，以(xC-ySiC)/PyC/SiC表示，如圖1(c)所示。其中，x∶y為Cf和SiCf的體積分?jǐn)?shù)比?；炀帍?fù)合材料的應(yīng)力分析路徑包括連接Cf和SiCf圓心的θ=45°方向和連接SiCf圓心的θ=0°方向，如圖1(b)和1(c)中帶箭頭的虛線所示。

表1 材料體系中結(jié)構(gòu)單元的性能

表2 復(fù)合材料有限元計算建模尺寸

1.2 模型計算與網(wǎng)格劃分

用于計算的Cf、SiCf、SiCm和PyC界面層的熱物理性能參數(shù)列于表1[16,18-21]。復(fù)合材料的殘余熱應(yīng)力的計算溫度差為1000 ℃。C/PyC/SiC、不同混編方式和不同混編比例復(fù)合材料的模型尺寸列于表2。其中，Cf和SiCf不同混編比例復(fù)合材料的模型是通過改變SiCf直徑(Cf直徑不變)建立的。對圖1的3個模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分后的參數(shù)列于表3。

邊界條件為兩端自由，為保證幾何單元的對稱性，所有網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)在對稱面上都被約束為法向位移相同。下標(biāo) L和R 代表軸向和徑向方向。

表3 有限元計算模型網(wǎng)格參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 C/PyC/SiC的殘余熱應(yīng)力

圖2為C/PyC/SiC復(fù)合材料的殘余熱應(yīng)力分布圖。因各結(jié)構(gòu)單元的應(yīng)力沿徑向呈梯度分布，故將各結(jié)構(gòu)單元所受殘余熱應(yīng)力的平均值標(biāo)于圖2中。由圖可2見：(1)軸向上，Cf的殘余壓應(yīng)力為-880 MPa，PyC的殘余拉應(yīng)力為134 MPa，SiCm的殘余拉應(yīng)力為726 MPa。(2)徑向上，C/PyC/SiC各結(jié)構(gòu)單元均受殘余拉應(yīng)力。其中，Cf、PyC和SiCm的殘余拉應(yīng)力分別為280、251、100 MPa。

2.2 混編方式對復(fù)合材料殘余熱應(yīng)力分布的影響

2.2.1 混編相間分布復(fù)合材料的殘余熱應(yīng)力分布

圖3是Cf和SiCf混編比例為1∶2時，(C×2SiC)/PyC/SiC在θ=45°方向的軸向和徑向殘余熱應(yīng)力。由圖3可見：(1)軸向應(yīng)力如圖3(a)所示，Cf和SiCf受殘余壓應(yīng)力，PyCon Cf、PyCon siCf和SiCm受殘余拉應(yīng)力。沿45°方向，Cf的壓應(yīng)力逐漸增加，SiCf的壓應(yīng)力基本不變，SiCm的拉應(yīng)力逐漸降低。PyCon Cf的拉應(yīng)力大于PyCon siCf的拉應(yīng)力。(2)徑向應(yīng)力如圖3(b)所示，Cf、PyCon Cf、PyCon siCf和SiCm受殘余拉應(yīng)力，SiCf部分受拉應(yīng)力，部分受壓應(yīng)力。沿45°方向，Cf和SiCm的拉應(yīng)力逐漸降低，SiCf由受拉應(yīng)力變?yōu)槭軌簯?yīng)力。PyCon Cf的拉應(yīng)力大于PyCon siCf的拉應(yīng)力。

圖4是(C×2SiC)/PyC/SiC在θ=0°方向的軸向和徑向殘余熱應(yīng)力分布圖。從圖4可看出:(1)軸向應(yīng)力見圖4(a)，SiCm、PyCon siCf受殘余拉應(yīng)力，SiCf受殘余壓應(yīng)力。沿0°方向，SiCm的拉應(yīng)力不斷增大，SiCf的壓應(yīng)力基本不變。(2)徑向應(yīng)力見圖4(b)，SiCm、PyCon siCf和SiCf均受殘余壓應(yīng)力且沿0°方向各結(jié)構(gòu)單元的殘余壓應(yīng)力逐漸增大。

2.2.2 混編接觸分布復(fù)合材料的殘余熱應(yīng)力分布

圖5是Cf和SiCf混編比例為1∶2時，(C-2SiC)/PyC/SiC在θ=45°方向的軸向和徑向殘余熱應(yīng)力。由圖5可見:(1)軸向應(yīng)力如圖5(a)所示，SiCm、PyCon Cf、PyCon siCf和SiCf受殘余拉應(yīng)力，Cf受殘余壓應(yīng)力。沿45°方向，SiCm的殘余拉應(yīng)力不斷增加，Cf的壓應(yīng)力不斷降低。PyCon Cf的拉應(yīng)力小于PyCon siCf的拉應(yīng)力。(2)徑向應(yīng)力如圖5(b)所示，SiCm、PyCon Cf、PyCon siCf和Cf均受殘余拉應(yīng)力，SiCf部分受拉應(yīng)力、部分受壓應(yīng)力。沿45°方向，SiCm的拉應(yīng)力不斷增加，Cf的拉應(yīng)力先增后減，SiCf由受拉應(yīng)力變?yōu)槭軌簯?yīng)力。PyCon Cf的拉應(yīng)力大于PyCon siCf的拉應(yīng)力。

圖6是(C-2SiC)/PyC/SiC在θ=0°方向的軸向和徑向殘余熱應(yīng)力分布圖。由圖6可見：(1)軸向應(yīng)力如圖6(a)所示，SiCm和PyCon siCf受殘余拉應(yīng)力，SiCf部分受壓應(yīng)力、部分受拉應(yīng)力。沿0°方向，SiCf由受殘余拉應(yīng)力變?yōu)槭軞堄鄩簯?yīng)力。(2)徑向應(yīng)力如圖6(b)所示，SiCm、PyCon siCf和SiCf均受殘余壓應(yīng)力。沿0°方向，SiCm和PyCon siCf的壓應(yīng)力逐漸增大，SiCf的壓應(yīng)力先增加后減小。

觀察圖3～圖6，(C×2SiC)/PyC/SiC和(C-2SiC)/PyC/SiC中結(jié)構(gòu)單元的殘余應(yīng)力分布均存在一定應(yīng)力梯度。結(jié)構(gòu)單元間的距離越近，熱失配作用越明顯，其殘余應(yīng)力值也越大。由于Cf和SiCf在兩種混編復(fù)合材料中的分布不同，為研究混編和混編方式對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)單元?dú)堄酂釕?yīng)力的影響規(guī)律，需對C/PyC/SiC和兩種纖維混編復(fù)合材料中各結(jié)構(gòu)單元?dú)堄酂釕?yīng)力取平均值后對比研究。

2.2.3 混編方式對復(fù)合材料殘余熱應(yīng)力分布的影響

表4 為C/PyC/SiC、(C×2SiC)/PyC/SiC和(C-2SiC)/PyC/SiC復(fù)合材料結(jié)構(gòu)單元在θ=45°和0°方向的軸向和徑向殘余熱應(yīng)力對比。

軸向上，由表4可見：(1)兩種混編復(fù)合材料中SiCm在θ=45°和0°方向的殘余拉應(yīng)力均低于其在C/PyC/SiC中的殘余拉應(yīng)力，且(C-2SiC)/PyC/SiC中SiCm在兩個方向的拉應(yīng)力均低于(C×2SiC)/PyC/SiC中SiCm的拉應(yīng)力。(2)Cf和PyCon Cf的軸向應(yīng)力在θ=45°方向，與C/PyC/SiC相比，(C×2SiC)/PyC/SiC中Cf的壓應(yīng)力減小，PyCon Cf的拉應(yīng)力增大；(C-2SiC)/PyC/SiC中Cf的壓應(yīng)力增大，PyCon Cf的拉應(yīng)力減小。(3)SiCf和PyCon siCf的軸向應(yīng)力在θ=45°和0°方向，SiCf在(C×2SiC)/PyC/SiC中受殘余壓應(yīng)力，而在(C-2SiC)/PyC/SiC中受殘余拉應(yīng)力。PyCon siCf在兩種混編復(fù)合材料中均受殘余拉應(yīng)力，且(C×2SiC)/PyC/SiC中PyCon siCf在兩個方向的拉應(yīng)力均大于(C-2SiC)/PyC/SiC中PyCon siCf的拉應(yīng)力。

表4 有限元法計算C/PyC/SiC、(C×2SiC)/PyC/SiC和(C-2SiC)/PyC/SiC復(fù)合材料各結(jié)構(gòu)單元在θ=45°和0°方向軸向和徑向的殘余熱應(yīng)力

以上結(jié)果表明，與C/PyC/SiC相比，Cf和SiCf混編(均以混編比例為1∶2為例)可減小SiCm的軸向殘余拉應(yīng)力，但兩種混編方式對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)單元的殘余熱應(yīng)力影響又有所不同：

(1)在(C×2SiC)/PyC/SiC中，Cf和SiCf相間分布在SiCm中，Cf和SiCf不接觸。在θ=45°方向，可近似看成是一個C/PyC/SiC和一個SiC/PyC/SiC微復(fù)合材料并在一起。SiCm殘余拉應(yīng)力的降低主要是由于其與Cf間的殘余應(yīng)力較大，而與SiCf間的殘余應(yīng)力較小，造成SiCm的應(yīng)力梯度分布，取平均值后SiCm的殘余拉應(yīng)力低于C/PyC/SiC中SiCm的殘余拉應(yīng)力，根據(jù)作用力與反作用力原理，Cf的殘余壓應(yīng)力比C/PyC/SiC的低。

(2)在(C-2SiC)/PyC/SiC中，Cf與SiCm和SiCf均接觸，由于Cf軸向熱膨脹系數(shù)最小，故SiCm和SiCf均受殘余拉應(yīng)力。θ=45°方向上，SiCf的存在使部分原本SiCm所受的殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)移到SiCf上，故SiCm的拉應(yīng)力值最小，而Cf因受SiCm和SiCf的殘余壓應(yīng)力的疊加作用，其殘余壓應(yīng)力值最大。在θ=0°方向上，Cf與SiCf仍相互作用，使得SiCf受拉應(yīng)力，但由于在該方向上SiCm對SiCf產(chǎn)生壓應(yīng)力，取平均值后，SiCf受約1 MPa的殘余拉應(yīng)力。

徑向上，由表4看見，(1)SiCm的徑向應(yīng)力在θ=45°方向，與C/PyC/SiC相比，(C×2SiC)/PyC/SiC和(C-2SiC)/PyC/SiC中SiCm的殘余拉應(yīng)力均增大，且前者的殘余拉應(yīng)力小于后者的。(2)(C×2SiC)/PyC/SiC和(C-2SiC)/PyC/SiC中Cf和PyCon Cf的殘余拉應(yīng)力在θ=45°方向與C/PyC/SiC相比均減小，且前者的殘余拉應(yīng)力略小于后者的。(3)SiCf和PyCon siCf的徑向應(yīng)力的變化趨勢不同。在θ=45°和0°方向，SiCf在(C×2SiC)/PyC/SiC中均受殘余壓應(yīng)力；在θ=45°方向，SiCf在(C-2SiC)/PyC/SiC中受殘余拉應(yīng)力，而在θ=0°方向，SiCf受殘余壓應(yīng)力，且壓應(yīng)力值小于其在(C×2SiC)/PyC/SiC的壓應(yīng)力。在θ=45°，PyCon siCf在(C×2SiC)/PyC/SiC和(C-2SiC)/PyC/SiC中均受殘余拉應(yīng)力，且前者的拉應(yīng)力小于后者；而在θ=0°方向，其PyCon siCf均受殘余壓應(yīng)力，且后者的壓應(yīng)力略大于前者。上述結(jié)果的原因在于：(1)在(C×2SiC)/PyC/SiC中，由于Cf和SiCf不接觸。在θ=45°方向，SiCm受Cf的徑向拉應(yīng)力。在θ=0°方向，(C×2SiC)/PyC/SiC中SiCf受SiCm的殘余壓應(yīng)力。(2)在(C-2SiC)/PyC/SiC中，Cf與SiCf和SiCm接觸，在θ=45°方向，Cf對SiCf和SiCm同時產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，與C/PyC/SiC相比，SiCm的拉應(yīng)力增大，且其值大于(C×2SiC)/PyC/SiC中SiCm的拉應(yīng)力。在θ=0°方向，Cf對SiCf仍有作用，一方面SiCm對SiCf產(chǎn)生壓應(yīng)力，另一方面Cf對SiCf產(chǎn)生拉應(yīng)力，兩種應(yīng)力中和后，SiCm和SiCf均受殘余壓應(yīng)力，且其壓應(yīng)力均比(C×2SiC)/PyC/SiC中SiCm和SiCf的小。

綜上所述，(C-2SiC)/PyC/SiC中SiCm的軸向殘余拉應(yīng)力比(C×2SiC)/PyC/SiC的小，表明復(fù)合材料的基體裂紋也較少，SiCm的斷裂能高，從而提高復(fù)合材料的基體開裂應(yīng)力。因此，從軸向殘余熱應(yīng)力的變化看，選擇Cf和SiCf混編接觸分布方式為宜。從徑向殘余熱應(yīng)力變化看，(C×2SiC)/PyC/SiC中SiCm的在θ=45°方向的拉應(yīng)力低于(C-2SiC)/PyC/SiC中SiCm的拉應(yīng)力，且(C×2SiC)/PyC/SiC中SiCm在θ=0°方向的壓應(yīng)力高于(C-2SiC)/PyC/SiC中SiCm的壓應(yīng)力。根據(jù)庫倫摩擦定律，當(dāng)基體受壓(或受拉相對小)時，其界面剪切強(qiáng)度將會增加，有利于提高復(fù)合材料的基體開裂應(yīng)力[22-23]。因此，從徑向殘余熱應(yīng)力的變化看，選擇纖維混編相間分布為宜。

3 纖維混編比例對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)單元?dú)堄酂釕?yīng)力的影響

由于纖維混編接觸分布對SiCm的軸向殘余熱應(yīng)力的影響較為顯著，故選擇該混編方式研究纖維混編比例對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)單元?dú)堄酂釕?yīng)力的影響規(guī)律。圖7為Cf與SiCf接觸分布時不同混編比例[(xC-ySiC)/PyC/SiC，x：y=3∶2、1∶1、1∶2和1∶4]復(fù)合材料結(jié)構(gòu)單元的殘余熱應(yīng)力變化圖。

隨混編復(fù)合材料中SiCf體積分?jǐn)?shù)的增加，可看出:

(1)在θ=45°方向，軸向應(yīng)力如圖7(a)所示，SiCm、PyCon siCf、SiCf和PyCon Cf的拉應(yīng)力逐漸下降，而Cf的壓應(yīng)力逐漸增加；徑向應(yīng)力如圖7(b)所示，Cf、PyCon Cf和PyCon siCf的拉應(yīng)力逐漸增加，SiCm和SiCf的拉應(yīng)力逐漸減小。

(2)在θ=0°方向，軸向應(yīng)力如圖7(c)所示，SiCm、SiCf和PyCon siCf的拉應(yīng)力逐漸下降，當(dāng)Cf和SiCf混編比例由1∶2變?yōu)?∶4時，SiCf、和PyCon siCf由受拉應(yīng)力變?yōu)槭軌簯?yīng)力；徑向應(yīng)力如圖7(d)所示，SiCm、SiCf和PyCon siCf的壓應(yīng)力逐漸減小。

(3)當(dāng)Cf和SiCf混編比例由1∶2增至1∶4時，上述結(jié)構(gòu)單元的軸向和徑向應(yīng)力的變化趨勢(增加或減小)減緩，尤其是SiCm的軸向拉應(yīng)力僅從174 MPa減少至170 MPa。

4 結(jié)論

(1)C/PyC/SiC各結(jié)構(gòu)單元的的殘余熱應(yīng)力計算結(jié)果表明，軸向上，Cf受殘余壓應(yīng)力，PyCon Cf和SiCm受殘余拉應(yīng)力，其應(yīng)力值分別為-880、134、726 MPa。徑向上，上述3種結(jié)構(gòu)單元均受殘余拉應(yīng)力，其應(yīng)力值分別為280、251、100 MPa。

(2)Cf和SiCf混編比例等于1∶2時，纖維混編相間分布和接觸分布復(fù)合材料結(jié)構(gòu)單元的殘余熱應(yīng)力與C/PyC/SiC的相比，軸向上，(C×2SiC)/PyC/SiC和(C-2SiC)/PyC/SiC中SiCm的拉應(yīng)力從726 MPa分別減少至(349、227 MPa，θ=45°；174、39 MPa，θ=0°)；Cf的壓應(yīng)力從-880 MPa分別減小和增大至(-773、-1073 MPa)，從軸向殘余熱應(yīng)力的變化看，選擇Cf和SiCf混編接觸分布為宜。徑向上，(C×2SiC)/PyC/SiC和 (C-2SiC)/PyC/SiC 中SiCm在θ=45°方向從100 MPa的拉應(yīng)力分別增大至123、145 MPa，而在θ=0°方向，則分別變?yōu)?43和-28 MPa的壓應(yīng)力，從徑向殘余熱應(yīng)力變化看，選擇Cf、SiCf相間分布為宜。

(3)以纖維混編接觸分布方式為例，隨SiCf體積分?jǐn)?shù)的增加，軸向上，SiCm、SiCf、PyCon siCf和PyCon Cf的拉應(yīng)力逐漸減小，Cf的壓應(yīng)力逐漸增大。徑向上，在θ=45°方向，Cf、PyCon Cf、PyCon siCf的拉應(yīng)力逐漸增大，而SiCm和SiCf的拉應(yīng)力逐漸減?。辉讦?0°方向，SiCm、SiCf和PyCon siCf的壓應(yīng)力逐漸減小。當(dāng)Cf和SiCf混編比例由1∶2增變?yōu)?∶4時，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)單元的軸向和徑向殘余熱應(yīng)力的變化趨勢(增大或減小)減緩，尤其是SiCm的軸向拉應(yīng)力在θ=45°方向僅從174 MPa減小至170 MPa。

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(編輯：薛永利)

Calculation on residual thermal stress for hybrid fiber reinforced CMC-SiC

LIU Shan-hua1,2,ZHANG Li-tong1, QIU Hai-peng2, YIN Xiao-wei1, CHENG Lai-fei1, LIU Yong-sheng1, WANG Ling2,CHEN Ming-wei2

(1.Science and Technology on Thermo-structural Composite Materials Laboratory,Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072,China;2.ACIV Composite Corporation LTD, Technical Development Department,Beijing 101300)

It was anticipated that the residual thermal stress in C/PyC/SiC composite,which was due to the coefficients of thermal expansion mismatch between carbon fiber and SiC matrix,would be decreased by introducing the silicon carbide fiber to the composites.The effects of hybrid styles and hybrid ratio between the carbon fiber and silicon carbide fiber on the residual thermal stress in the composites were studied by constructing the finite element models and calculation.The results show that:(1) the residual thermal stresses in carbon fiber and silicon carbide fiber hybrid reinforced SiC matrix composites are lower than those in C/PyC/SiC composites;(2) the axial residual thermal stresses of SiC matrix in hybrid composites with contacted distribution of carbon fiber and silicon carbide fiber ((xC-ySiC)/PyC/SiC) are lower than those in hybrid composites with alternative distribution of carbon fiber and silicon carbide fiber ((xC×ySiC)/PyC/SiC) at the same ratio of carbon fiber to silicon carbide fiber.(3) Taking an example of contacted distribution of carbon fiber and silicon carbide fiber in ((xC-ySiC)/PyC/SiC) composites,the axial residual thermal stresses of SiC matrix are reduced with the silicon carbide fiber volume percent increases in the ((xC-ySiC)/PyC/SiC) composites.However,the axial residual thermal stresses in SiC matrix decreases from 174 MPa to 170 MPa only when the hybrid fiber volume percent ratio of carbon fiber to silicon carbide fiber change from 1∶2 to 1∶4.

SiC matrix;SiC;carbon fiber;residual thermal stress; hybrid

2016-10-14；

2016-11-07。

自然科學(xué)基金(51372204)。

劉善華(1984—),男,博士,研究方向?yàn)樘沾苫鶑?fù)合材料。E-mail：shanhualiu@yahoo.com

V258

A

1006-2793(2017)04-0493-08

10.7673/j.issn.1006-2793.2017.04.017