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2.5D机织SiC_f/SiC复合材料细观结构及力学行为研究

杨甜甜  
【摘要】:碳化硅纤维增强碳化硅基体(SiC_f/SiC)三维机织复合材料具有结构设计性强、密度低、力学性能优异、耐高温、抗氧化性好和层间性能优异等特征,已成为航空发动机热端高温部件理想的候选结构材料。其中,2.5D结构是三维机织家族的重要成员,是一种通过层层角联形成的呈现整体网络的结构。然而,受限于SiC_f的特殊性及SiC_f/SiC复合材料的制备技术,目前对2.5D机织SiC_f/SiC复合材料的细观结构和力学性能研究仍处于初级阶段。本文以2.5D机织SiC_f/SiC复合材料为研究对象,采用试验和数值模拟方法对材料的力学性能和损伤机制进行研究。主要内容包括:(1)以二代碳化硅纤维(SiC_f)增强2.5D织物为骨架,采用先驱体浸渍裂解(PIP)工艺制备SiC_f/SiC复合材料,利用Micro-CT三维扫描技术分别扫描获取2.5D机织SiC纤维预制体和2.5D机织SiC_f/SiC复合材料断层图像,进而统计分析纤维束形态及孔隙特征。在此基础上,提出了一种生成孔隙的随机算法,通过Solidworks以及ABAQUS软件构建了不含孔隙缺陷的理想化几何模型(I-model)、含均匀孔隙分布的均匀化几何模型(U-model)以及含真实孔隙分布的非均匀几何模型(N-model)。结果表明,建立的含真实孔隙分布的非均匀几何模型能够较好的反映复合材料内部的纤维束形态及孔隙分布特征,为后续高保真数值预测提供了数据支撑。(2)围绕2.5D机织SiC_f/SiC复合材料,利用万能试验机开展材料在不同方向(经向和纬向)上的拉伸和弯曲力学行为研究,并通过扫描电子显微镜以及超景深三维显微镜获取损伤图像及相关数据,进而研究了2.5D机织SiC_f/SiC复合材料经向和纬向在单轴拉伸和弯曲载荷下的损伤模式,讨论了试样在不同方向上的拉伸和弯曲失效机理。结果表明:经向、纬向2.5D机织SiC_f/SiC复合材料在拉伸载荷以及三点弯曲载荷下的损伤存在差异。试样的拉伸破坏为拉伸应力、剪切应力耦合作用的结果。经向拉伸主要沿着纤维与界面发生脱粘和滑移,纤维拔出明显,且纤维拔出长度较长,从而使得复合材料表现出更好的力学性能;纬向试样端口特征为明显的台阶状,纤维束和纤维单丝拔出比例少,是以纤维束脆性断裂为主。在弯曲载荷下,经向主要沿着经纱与纬纱结合点出发生裂纹扩展,导致损伤破坏产生,纱线此时起到增韧作用;而纬向主要沿纬纱束之间发生裂纹,纱束断裂产生的弯曲破坏,纱线此时起到增强作用。(3)在精细化细观模型基础上,构建了2.5D机织SiC_f/SiC复合材料有限元模型,利用ABAQUS分析软件开展了拉伸和弯曲数值模拟。其中,基于细观尺度建立了含不同孔隙分布的2.5D机织SiC_f/SiC复合材料有限元模型,即不含孔隙缺陷的理想化模型(I-model)、含均匀孔隙分布的均匀化模型(U-model)以及含不同孔隙分布的非均匀模型(N-model)。将建立模型与拉伸试验进行比对,从而对提出的非均匀模型进行验证。结果显示,数值模拟的拉伸载荷下的材料的应力集中主要围绕在巨型孔隙附近,最终导致材料的损伤,与试验中最终损伤沿着巨型孔隙的机制一致,数值模拟的拉伸材料刚度以及宏观损伤形态与试验结果吻合良好。由N-model,U-model和I-model得到的复合材料的弹性模量分别为44354.58MPa,42932.23MPa和40477.25MPa,而实验结果的弹性模量为41659.85MPa。进一步地,提出的含非均匀孔隙的模型(N-model)能够较好地预测复合材料的力学性能,模拟精度可达95%,而不含孔隙分布的理想模型(I-model)和含小孔隙均匀分布的模型(U-model)的误差分别为22%和15%。因此,所提出的N-model能够准确预测2.5D机织SiC_f/SiC复合材料的力学行为、全场应力分布和损伤。为了进一步验证提出的含不同孔隙分布的模型的准确性,基于全尺寸方法建立含孔隙分布的2.5D机织SiC_f/SiC复合材料有限元模型,模拟了经向试样三点弯曲加载过程,分析了损伤破坏机理,并对比分析模拟结果与试验结果。结果表明,数值模拟的三点弯曲宏观损伤形态与试验结果吻合良好,基于随机方法建立的有限元模型可有效预测2.5D机织SiC_f/SiC复合材料的力学行为。


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