三维编织C/SIC复合材料断裂韧性的表征方法与理论研究

【摘要】： 经过对试验的反复推敲和论证，本文从宏观断裂理论和细观断裂理论的角度，确定了三维编织C／SiC复合材料(三维编织CMC)断裂韧性的表征参量，发展了能够在该材料中应用的细观断裂理论。通过数值分析和比较，基本完善了三维编织CMC断裂韧性的表征方法和应用理论。在主要的研究工作中包含了一部分试验上的新发现和理论上的创新点，具体可以划分为以下几个方面： 1．通过断裂试验的载荷位移曲线和声发射检测，发现了该材料的切口试样在拉伸载荷作用下表现为伪塑性的特征；在弯曲载荷作用下表现出准脆性的特征。由此确定了三维编织C／SiC复合材料断裂韧性的表征方法。 2．根据三维编织C／SiC复合材料断裂韧性的表征问题属于线弹性理论范畴以及材料断裂模式是界面损伤破坏模式的实验研究结果，提出了该材料的表征参量应该使用与界面相关的Ⅰ型和Ⅱ型混合断裂的能量释放率G_C，或者使用复应力强度因子K_C。 3．研究了裂纹沿界面扩展的双材料界面断裂理论，利用倾斜侵入界面的裂纹模型解析了裂纹尖端沿着界面的应力场，推导了表征三维编织CMC复合材料断裂韧性的能量释放率公式G_C，并且用试验结果验证了能量释放率公式的正确性。该公式为采用单试样测试三维编织陶瓷基复合材料的能量释放率提供了可能性，与常用的柔度测试方法相比，可以大大节约试样数量。 4．根据三维编织CMC复合材料断裂损伤的机制，建立了界面失效模型和纤维束断裂模型，并且初步界定了模型用的适用范围。使用建立的模型能够初步预测该材料的断裂韧性，其预测结果与试验结果基本一致。 5．发展了界面层断裂理论在三维编织C／SiC复合材料工程中的应用，初步建立了断裂混合度与断裂韧性的关系曲线。 6．讨论了三维编织CMC复合材料中的孔洞对断裂韧性的影响，发现以牺牲材料强度为代价的孔洞增韧机制的效果并不理想。