陶瓷基復(fù)合材料損傷失效機(jī)理和模型研究進(jìn)展

查旭 楊勝春 黃光啟 程鵬飛

摘 要 隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，復(fù)合材料在航空領(lǐng)域得到了廣泛的發(fā)展。陶瓷基復(fù)合材料因其具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐高溫和耐腐蝕的特性被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端部件。然而，制備過程中產(chǎn)生的初始損傷和殘余以及復(fù)雜的失效模式，給建立陶瓷基復(fù)合材料的損傷本構(gòu)模型、研究陶瓷基復(fù)合材料的損傷失效機(jī)理帶來了巨大的困難。本文對(duì)陶瓷基復(fù)合材料損傷失效機(jī)理的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。首先，介紹了陶瓷基復(fù)合材料的發(fā)展歷史細(xì)觀建模研究現(xiàn)狀；然后，綜述了陶瓷基復(fù)合材料損傷失效機(jī)理的研究現(xiàn)狀；最后，對(duì)陶瓷基復(fù)合材料損傷失效機(jī)理研究的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞 陶瓷基復(fù)合材料；損傷模型；失效機(jī)理

Progress on Damage Failure Mechanism and

Model of Ceramic Matrix Composite

ZHA Xu， YANG Shengchun， HUANG Guangqi， CHENG Pengfei

（National Key Laboratory of Strength and Structural Integrity，

Aircraft Strength Research Institute of China，Xian 710000）

ABSTRACT With the progress of science and technology， composite materials have been widely developed in the aviation field. Ceramic matrix composite are widely used in hot end components of aeroengines because of their high specific strength， high specific modulus， high temperature resistance and corrosion resistance. However， the initial damage， residual and complex failure modes generated in the preparation process have brought great difficulties to establish the damage constitutive model of Ceramic matrix composite and to study the damage failure mechanism of Ceramic matrix composite. In this paper， the research progress of damage and failure mechanism of Ceramic matrix composite is reviewed. Firstly， the development history of Ceramic matrix composite and the research status of micro modeling are introduced; Then， the research status of damage and failure mechanism of Ceramic matrix composite is reviewed; Finally， the development trend of research on damage and failure mechanism of Ceramic matrix composite is prospected.

KEYWORDS ceramic matrix composite; damage model; failure mechanism

通訊作者：楊勝春，研究員，碩士生導(dǎo)師。研究方向?yàn)閺?fù)合材料力學(xué)。E-mail：2249469092@qq.com

1 引言

科技的快速進(jìn)步使復(fù)合材料得到了廣泛的發(fā)展。陶瓷基復(fù)合材料（CMCs）因其具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐高溫和耐腐蝕的特性，已經(jīng)在一些國防領(lǐng)域替代了傳統(tǒng)的高溫合金材料。尤其是在航空領(lǐng)域中，陶瓷基復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于軍用飛機(jī)和民用飛機(jī)的熱端部件以及飛機(jī)的“心臟”-航空發(fā)動(dòng)機(jī)。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中采用陶瓷基復(fù)合材料來制造熱端部件，可以降低冷卻空氣量，提高發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度和燃燒效率，減輕發(fā)動(dòng)機(jī)重量，對(duì)民用飛機(jī)來說，可以降低燃油的消耗和有害氣體的排放，提高經(jīng)濟(jì)效率；對(duì)軍用飛機(jī)來說，可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比，使飛機(jī)獲得更好的性能^［1］。自上世紀(jì)80年代開始，歐美許多國家開始廣泛地研究陶瓷基復(fù)合材料。自1979年起，美國在陶瓷基復(fù)合材料研制與應(yīng)用領(lǐng)域花費(fèi)高達(dá)數(shù)十億美元，開展了HITEMP、IHPTET以及HSR-EPM/CPC計(jì)劃等計(jì)劃；同時(shí)，歐洲和日本也相繼開展陶瓷基復(fù)合材料的研制與應(yīng)用計(jì)劃，如英國的AST計(jì)劃，法國的ASTF計(jì)劃，日本的AMG計(jì)劃。我國從20世紀(jì)90年代開始展開對(duì)陶瓷基復(fù)合材料的研究，制備技術(shù)已經(jīng)趨于成熟?，F(xiàn)在常用的陶瓷基復(fù)合材料是SiC/SiC和C/SiC，為了保證材料在各個(gè)方向均擁有良好的性能，陶瓷基復(fù)合材料大多采用編織結(jié)構(gòu)，但這增加了陶瓷基復(fù)合材料細(xì)觀單胞建模的難度；并且，由于材料特性，陶瓷基復(fù)合材料在受載過程中不像樹脂基復(fù)合材料（PMC），在其應(yīng)力應(yīng)變曲線中會(huì)有一段非線性段，如圖1所示，這就導(dǎo)致描述其損傷變得困難；在判斷是否失效時(shí)，也很難用樹脂基的失效準(zhǔn)則來進(jìn)行判斷。因此，建立準(zhǔn)確的損傷模型和失效判據(jù)就顯得尤為重要。本文首先回顧了陶瓷基復(fù)合材料的發(fā)展歷史并簡(jiǎn)要介紹了陶瓷基復(fù)合材料的細(xì)觀建模研究現(xiàn)狀，然后就陶瓷基復(fù)合材料的損傷失效機(jī)理和模型的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了重點(diǎn)介紹。

2 陶瓷基復(fù)合材料的發(fā)展

2.1 陶瓷基復(fù)合材料纖維發(fā)展

國外通過先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法制備了3代碳化硅纖維。第一代為高碳含量碳化硅纖維，主要有日本碳公司生產(chǎn)的Nicalon系列纖維^［2］

和日本宇部興產(chǎn)公司生產(chǎn)的Tyranno Lox-M^［3］纖維；日本碳公司和宇部興產(chǎn)公司分別改進(jìn)工藝，通過在無氧氛圍中采用電子輻射照對(duì)原纖維進(jìn)行不融化處理生產(chǎn)出第二代纖維^［2，4］；日本和美國通過在無氧氛圍下高溫處理去除富余碳和氧，并引入燒結(jié)助劑，制備了具有更好耐高溫性能的第三代碳化硅纖維^［5］。

我國的國防科技大學(xué)經(jīng)過長(zhǎng)期研究，制造出了與國外三代碳化硅纖維對(duì)應(yīng)的不同系列的碳化硅纖維——KD-1型、KD-2型和KD-3。并且，三種類型纖維的性能水平能夠達(dá)到國外三代纖維的性能水平。廈門大學(xué)、蘇州賽力菲陶纖有限公司均制造出了接近同類水平的纖維^［5］。

2.2 陶瓷基復(fù)合材料制備工藝

自20世紀(jì)80年代開始，各國開始廣泛地研究陶瓷基復(fù)合材料，經(jīng)過幾十年的研究，CMCs的制備技術(shù)已經(jīng)趨于成熟。現(xiàn)在常用的制備工藝為以下3種：化學(xué)氣相滲透法（CVI）、聚合物先驅(qū)體浸漬裂解法（PIP）和熔滲法（MI）^［5］。

3 陶瓷基復(fù)合材料細(xì)觀單胞建模研究進(jìn)展

為了保證各個(gè)方向都能保持優(yōu)異的性能，陶瓷基復(fù)合材料基本都采用編織結(jié)構(gòu)，這增加了對(duì)其進(jìn)行宏觀分析的難度。因此，對(duì)CMC開展宏細(xì)觀跨尺度分析是必要的，建立的單胞模型是否能夠準(zhǔn)確反映實(shí)際結(jié)構(gòu)將影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。本節(jié)簡(jiǎn)要介紹了國內(nèi)外對(duì)陶瓷基復(fù)合材料單胞建模的研究進(jìn)展。

孫方方^［6］等人提出了一種考慮三維機(jī)織復(fù)合材料中紗線的截面形狀、截面扭轉(zhuǎn)、彎曲系數(shù)、張力變形、接觸變形以及紗線路徑的建模方法并預(yù)測(cè)了三維機(jī)織陶瓷基復(fù)合材料的剛度，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致；石多奇^［7］等人基于Monte-Carlo方法，采用氣孔單元法對(duì)基體施加孔隙，避免了多孔結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的網(wǎng)格劃分問題。預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好；馮偉^［8］等人建立一種不僅可以考慮因打緊工藝造成的纖維束軸線彎曲構(gòu)型以及截面變形，還可以給出編織參數(shù)和模型宏細(xì)觀參數(shù)之間關(guān)系的建模方法，基于該方法預(yù)測(cè)了三維四向復(fù)合材料的剛度，與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好；周琪琛^［9］首先基于分子動(dòng)力學(xué)的隨機(jī)堆積算法建立纖維束單胞模型，并預(yù)測(cè)了其剛度，然后根據(jù)CT掃描的結(jié)果建立單胞模型并將孔隙看作一種材料，通過在基體網(wǎng)格中隨機(jī)選取不同百分比的單元作為孔隙單元實(shí)現(xiàn)孔隙的隨機(jī)分布，隨后進(jìn)行了剛度以及強(qiáng)度的預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

Tranquart^［10］等人基于圣維南原理，開發(fā)了一種陶瓷基復(fù)合材料紗線建模方法，該方法消除了劃分網(wǎng)格的困難并且縮短了計(jì)算的時(shí)間；Bheemreddy^［11］等人對(duì)連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料的微觀力學(xué)損傷行為進(jìn)行了全面的數(shù)值分析并開發(fā)了一種三維微觀力學(xué)有限元建模程序，該程序考慮了界面對(duì)材料彈性性能的影響，基于該程序，建立了RVE模型，預(yù)測(cè)了CMCs的剛度，并預(yù)測(cè)了其損傷，分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致；Sadik^［12］等人開發(fā)了一種用于Abaqus的插件，可以方便地給具有周期性網(wǎng)格的編織陶瓷基復(fù)合材料施加周期性邊界條件并計(jì)算其彈性性能。

4 陶瓷基復(fù)合材料損傷失效機(jī)理和模型研究進(jìn)展

郭洪寶^［13］等人采用Iosipescu純剪切試件進(jìn)行室溫剪切試驗(yàn)，對(duì)比了室溫下2D C/SiC和2D SiC/SiC的剪切損傷特性，結(jié)合對(duì)SEM結(jié)果的分析提出纖維彎曲承載機(jī)制，并通過兩個(gè)損傷變量表征了材料的損傷演化進(jìn)程。張卓越^［14］通過擠壓試驗(yàn)得到CMCs擠壓性能的相關(guān)數(shù)據(jù)以及破化模式，建立單胞模型進(jìn)行漸進(jìn)損傷分析，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)分析得到了CMCs擠壓的失效機(jī)理；郭洪寶^［15］首先分析了不同加載歷史下2D C/SiC和2D SiC/SiC的拉壓損傷力學(xué)行為和面內(nèi)剪切損傷演化進(jìn)程，然后通過偏軸拉壓試驗(yàn)分析了偏軸角度對(duì)2D C/SiC力學(xué)行為的影響，最后基于以上分析，設(shè)計(jì)完成了2D C/SiC軸向交替加載試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)材料的拉剪和壓剪損傷耦合效應(yīng)的定量解耦；陳天雄^［16］等人基于損傷力學(xué)和Tasi-Hill，提出了表征2D C/SiC各向異性的損傷方程，對(duì)2D C/SiC進(jìn)行了損傷分析，揭示了復(fù)合材料在損傷驅(qū)動(dòng)力及材料特性作用下?lián)p傷呈現(xiàn)各向異性演化的特征；劉波^［17］等人基于剪滯模型、能量平衡方法和斷裂力學(xué)脫粘準(zhǔn)則研究了纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料在單向載荷下的損傷失效機(jī)制，并將剪滯模型和Curtin損傷模型結(jié)合預(yù)測(cè)了單向纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料在單軸載荷下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；馮雨春^［18］等人建立了預(yù)測(cè)平紋編織SiC/SiC四點(diǎn)彎曲失效的內(nèi)聚力模型，并預(yù)測(cè)了平紋編織SiC/SiC梁的彎曲強(qiáng)度、分層萌生以及擴(kuò)展，預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好；楊程鵬^［19］等人提出虛擬線性化的概念，并根據(jù)損傷等效的假設(shè)針對(duì)線性損傷和非線性損傷，對(duì)基于應(yīng)力的經(jīng)典二次失效準(zhǔn)則進(jìn)行變換，建立了一種基于損傷的強(qiáng)度理論，“Ｄ 失效判據(jù)”。

Talreja^［20］將單向纖維增強(qiáng)的陶瓷基復(fù)合材料的損傷分為四種基本形式，基于熱力學(xué)的公式推導(dǎo)了內(nèi)部變量的本構(gòu)關(guān)系、應(yīng)力應(yīng)變損傷關(guān)系，基于此提出了一種確定陶瓷基復(fù)合材料損傷力學(xué)響應(yīng)的連續(xù)體模型，；Jain^［21］等人受Tasi-Wu失效準(zhǔn)則的啟發(fā)，提出了一種基于二次損傷的失效準(zhǔn)則，相對(duì)于Tasi-Wu失效準(zhǔn)則可以更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)失效應(yīng)力和應(yīng)變；Ismar^［22］等人考慮了2D SiC/SiC在制備過程中產(chǎn)生的基體裂紋和殘余應(yīng)力進(jìn)行了單胞的建模，并利用細(xì)觀分析的結(jié)果建立了宏觀的結(jié)構(gòu)，研究了纖維體積分?jǐn)?shù)和纖維威布爾模量對(duì)復(fù)合材料性能的影響。Shi^［23］等人基于力學(xué)測(cè)試和微觀結(jié)構(gòu)分析，研究了虛擬等效單向?qū)拥奶匦圆⒍x了兩個(gè)材料建模組，基于以上研究，對(duì)不同纖維取向的纏繞陶瓷基復(fù)合材料在拉伸載荷下的失效性能進(jìn)行了預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果吻合良好；Meyer^［24］等人基于預(yù)測(cè)連續(xù)纖維CMC損傷的裂紋帶方法建立了微觀力學(xué)斷裂的數(shù)學(xué)模型，基于實(shí)際微觀結(jié)構(gòu)創(chuàng)建了復(fù)合材料的有限元模型，并與隨機(jī)創(chuàng)建的RVE進(jìn)行了比較并且研究了幾何不均勻性對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)和裂紋發(fā)展的影響；Travis^［25］等人結(jié)合斷裂力學(xué)和內(nèi)變量提出了一種陶瓷基復(fù)合材料熱力學(xué)損傷模型，該模型考慮了CMC長(zhǎng)度尺度方向的力學(xué)行為，并可以有效地表示應(yīng)力強(qiáng)度因子超過材料的斷裂韌性時(shí)引發(fā)的基體裂紋產(chǎn)生的影響。對(duì)2D C/SiC等材料進(jìn)行了預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。

5 結(jié)語

綜上所述，常溫下陶瓷基復(fù)合材料細(xì)觀單胞模型和損傷與失效機(jī)理的分析已經(jīng)發(fā)展的較為成熟。但是，對(duì)高溫下?lián)p傷本構(gòu)模型、損傷失效機(jī)理分析的研究工作尚為有限?；谝陨戏治觯梢娢磥硖沾苫鶑?fù)合材料損傷失效機(jī)理與模型的研究趨勢(shì)為：（1）建立高溫下可以考慮氧化損傷的細(xì)觀單胞模型;（2）建立高溫下材料的損傷本構(gòu)模型;（3）發(fā)展高溫下材料的失效準(zhǔn)則，能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)材料在高溫下的失效。

參 考 文 獻(xiàn)

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