陶瓷基复合材料损伤失效机理和模型研究进展
2023-11-17查旭杨胜春黄光启程鹏飞
查旭 杨胜春 黄光启 程鹏飞
摘 要 随着科学技术的进步，复合材料在航空领域得到了广泛的发展。陶瓷基复合材料因其具有高比强度、高比模量、耐高温和耐腐蚀的特性被廣泛应用于航空发动机的热端部件。然而，制备过程中产生的初始损伤和残余以及复杂的失效模式，给建立陶瓷基复合材料的损伤本构模型、研究陶瓷基复合材料的损伤失效机理带来了巨大的困难。本文对陶瓷基复合材料损伤失效机理的研究进展进行综述。首先，介绍了陶瓷基复合材料的发展历史细观建模研究现状；然后，综述了陶瓷基复合材料损伤失效机理的研究现状；最后，对陶瓷基复合材料损伤失效机理研究的发展趋势进行了展望。
关键词 陶瓷基复合材料；损伤模型；失效机理
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
通讯作者：杨胜春，研究员，硕士生导师。研究方向为复合材料力学。E-mail：2249469092@qq.com
1 引言
科技的快速进步使复合材料得到了广泛的发展。陶瓷基复合材料（CMCs）因其具有高比强度、高比模量、耐高温和耐腐蚀的特性，已经在一些国防领域替代了传统的高温合金材料。尤其是在航空领域中，陶瓷基复合材料广泛应用于军用飞机和民用飞机的热端部件以及飞机的“心脏”-航空发动机。在航空发动机中采用陶瓷基复合材料来制造热端部件，可以降低冷却空气量，提高发动机进气温度和燃烧效率，减轻发动机重量，对民用飞机来说，可以降低燃油的消耗和有害气体的排放，提高经济效率；对军用飞机来说，可以提高发动机的推重比，使飞机获得更好的性能［1］。自上世纪80年代开始，欧美许多国家开始广泛地研究陶瓷基复合材料。自1979年起，美国在陶瓷基复合材料研制与应用领域花费高达数十亿美元，开展了HITEMP、IHPTET以及HSR-EPM/CPC计划等计划；同时，欧洲和日本也相继开展陶瓷基复合材料的研制与应用计划，如英国的AST计划，法国的ASTF计划，日本的AMG计划。我国从20世纪90年代开始展开对陶瓷基复合材料的研究，制备技术已经趋于成熟。现在常用的陶瓷基复合材料是SiC/SiC和C/SiC，为了保证材料在各个方向均拥有良好的性能，陶瓷基复合材料大多采用编织结构，但这增加了陶瓷基复合材料细观单胞建模的难度；并且，由于材料特性，陶瓷基复合材料在受载过程中不像树脂基复合材料（PMC），在其应力应变曲线中会有一段非线性段，如图1所示，这就导致描述其损伤变得困难；在判断是否失效时，也很难用树脂基的失效准则来进行判断。因此，建立准确的损伤模型和失效判据就显得尤为重要。本文首先回顾了陶瓷基复合材料的发展历史并简要介绍了陶瓷基复合材料的细观建模研究现状，然后就陶瓷基复合材料的损伤失效机理和模型的研究现状进行了重点介绍。
2 陶瓷基复合材料的发展
2.1 陶瓷基复合材料纤维发展
国外通过先驱体转化法制备了3代碳化硅纤维。第一代为高碳含量碳化硅纤维，主要有日本碳公司生产的Nicalon系列纤维［2］
和日本宇部兴产公司生产的Tyranno Lox-M［3］纤维；日本碳公司和宇部兴产公司分别改进工艺，通过在无氧氛围中采用电子辐射照对原纤维进行不融化处理生产出第二代纤维［2，4］；日本和美国通过在无氧氛围下高温处理去除富余碳和氧，并引入烧结助剂，制备了具有更好耐高温性能的第三代碳化硅纤维［5］。
我国的国防科技大学经过长期研究，制造出了与国外三代碳化硅纤维对应的不同系列的碳化硅纤维——KD-1型、KD-2型和KD-3。并且，三种类型纤维的性能水平能够达到国外三代纤维的性能水平。厦门大学、苏州赛力菲陶纤有限公司均制造出了接近同类水平的纤维［5］。
2.2 陶瓷基复合材料制备工艺
自20世纪80年代开始，各国开始广泛地研究陶瓷基复合材料，经过几十年的研究，CMCs的制备技术已经趋于成熟。现在常用的制备工艺为以下3种：化学气相渗透法（CVI）、聚合物先驱体浸渍裂解法（PIP）和熔渗法（MI）［5］。
3 陶瓷基复合材料细观单胞建模研究进展
为了保证各个方向都能保持优异的性能，陶瓷基复合材料基本都采用编织结构，这增加了对其进行宏观分析的难度。因此，对CMC开展宏细观跨尺度分析是必要的，建立的单胞模型是否能够准确反映实际结构将影响分析结果的准确性。本节简要介绍了国内外对陶瓷基复合材料单胞建模的研究进展。
孙方方［6］等人提出了一种考虑三维机织复合材料中纱线的截面形状、截面扭转、弯曲系数、张力变形、接触变形以及纱线路径的建模方法并预测了三维机织陶瓷基复合材料的刚度，计算结果与试验结果基本一致；石多奇［7］等人基于Monte-Carlo方法，采用氣孔单元法对基体施加孔隙，避免了多孔结构导致的网格划分问题。预测结果与试验结果吻合良好；冯伟［8］等人建立一种不仅可以考虑因打紧工艺造成的纤维束轴线弯曲构型以及截面变形，还可以给出编织参数和模型宏细观参数之间关系的建模方法，基于该方法预测了三维四向复合材料的刚度，与试验结果吻合较好；周琪琛［9］首先基于分子动力学的随机堆积算法建立纤维束单胞模型，并预测了其刚度，然后根据CT扫描的结果建立单胞模型并将孔隙看作一种材料，通过在基体网格中随机选取不同百分比的单元作为孔隙单元实现孔隙的随机分布，随后进行了刚度以及强度的预测，预测结果与试验结果基本一致。
Tranquart［10］等人基于圣维南原理，开发了一种陶瓷基复合材料纱线建模方法，该方法消除了划分网格的困难并且缩短了计算的时间；Bheemreddy［11］等人对连续纤维增强陶瓷复合材料的微观力学损伤行为进行了全面的数值分析并开发了一种三维微观力学有限元建模程序，该程序考虑了界面对材料弹性性能的影响，基于该程序，建立了RVE模型，预测了CMCs的刚度，并预测了其损伤，分析结果与试验结果基本一致；Sadik［12］等人开发了一种用于Abaqus的插件，可以方便地给具有周期性网格的编织陶瓷基复合材料施加周期性边界条件并计算其弹性性能。
4 陶瓷基复合材料损伤失效机理和模型研究进展
郭洪宝［13］等人采用Iosipescu纯剪切试件进行室温剪切试验，对比了室温下2D C/SiC和2D SiC/SiC的剪切损伤特性，结合对SEM结果的分析提出纤维弯曲承载机制，并通过两个损伤变量表征了材料的损伤演化进程。张卓越［14］通过挤压试验得到CMCs挤压性能的相关数据以及破化模式，建立单胞模型进行渐进损伤分析，根据试验数据和仿真数据分析得到了CMCs挤压的失效机理；郭洪宝［15］首先分析了不同加载历史下2D C/SiC和2D SiC/SiC的拉压损伤力学行为和面内剪切损伤演化进程，然后通过偏轴拉压试验分析了偏轴角度对2D C/SiC力学行为的影响，最后基于以上分析，设计完成了2D C/SiC轴向交替加载试验，实现了对材料的拉剪和压剪损伤耦合效应的定量解耦；陈天雄［16］等人基于损伤力学和Tasi-Hill，提出了表征2D C/SiC各向异性的损伤方程，对2D C/SiC进行了损伤分析，揭示了复合材料在损伤驱动力及材料特性作用下损伤呈现各向异性演化的特征；刘波［17］等人基于剪滞模型、能量平衡方法和断裂力学脱粘准则研究了纤维增强陶瓷基复合材料在单向载荷下的损伤失效机制，并将剪滞模型和Curtin损伤模型结合预测了单向纤维增强陶瓷基复合材料在单轴载荷下的应力-应变曲线；冯雨春［18］等人建立了预测平纹编织SiC/SiC四点弯曲失效的内聚力模型，并预测了平纹编织SiC/SiC梁的弯曲强度、分层萌生以及扩展，预测结果与试验结果吻合良好；杨程鹏［19］等人提出虚拟线性化的概念，并根据损伤等效的假设针对线性损伤和非线性损伤，对基于应力的经典二次失效准则进行变换，建立了一种基于损伤的强度理论，“Ｄ 失效判据”。
Talreja［20］将单向纤维增强的陶瓷基复合材料的损伤分为四种基本形式，基于热力学的公式推导了内部变量的本构关系、应力应变损伤关系，基于此提出了一种确定陶瓷基复合材料损伤力学响应的连续体模型，；Jain［21］等人受Tasi-Wu失效准则的启发，提出了一种基于二次损伤的失效准则，相对于Tasi-Wu失效准则可以更准确地预测失效应力和应变；Ismar［22］等人考虑了2D SiC/SiC在制备过程中产生的基体裂纹和残余应力进行了单胞的建模，并利用细观分析的结果建立了宏观的结构，研究了纤维体积分数和纤维威布尔模量对复合材料性能的影响。Shi［23］等人基于力学测试和微观结构分析，研究了虚拟等效单向层的特性并定义了两个材料建模组，基于以上研究，对不同纤维取向的缠绕陶瓷基复合材料在拉伸载荷下的失效性能进行了预测，预测结果和试验结果吻合良好；Meyer［24］等人基于预测连续纤维CMC损伤的裂纹带方法建立了微观力学断裂的数学模型，基于实际微观结构创建了复合材料的有限元模型，并与随机创建的RVE进行了比较并且研究了几何不均匀性对应力-应变响应和裂纹发展的影响；Travis［25］等人结合断裂力学和内变量提出了一种陶瓷基复合材料热力学损伤模型，该模型考虑了CMC长度尺度方向的力学行为，并可以有效地表示应力强度因子超过材料的断裂韧性时引发的基体裂纹产生的影响。对2D C/SiC等材料进行了预测，预测结果与实验结果基本一致。
5 结语
综上所述，常温下陶瓷基复合材料细观单胞模型和损伤与失效机理的分析已经发展的较为成熟。但是，对高温下损伤本构模型、损伤失效机理分析的研究工作尚为有限。基于以上分析，可见未来陶瓷基复合材料损伤失效机理与模型的研究趋势为：（1）建立高温下可以考虑氧化损伤的细观单胞模型;（2）建立高温下材料的损伤本构模型;（3）发展高温下材料的失效准则，能够较为准确地预测材料在高温下的失效。
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