【摘要】：編織陶瓷基復合材料具備耐高溫、高比強度、高比模量、對缺口不敏感以及材料性能可設計性強等優(yōu)點,是下一代航空發(fā)動機高溫部件的理想材料。多尺度分析方法可以建立編織陶瓷基復合材料宏觀性能同其組分材料性能及細觀結構之間的定量關系,在工程上能充分發(fā)揮材料性能、獲得性能最優(yōu)的結構件,并降低結構設計成本、縮短研發(fā)周期,因此是實現編織陶瓷基復合材料工程應用的必備技術。然而目前國內外對編織陶瓷基復合材料力學行為的多尺度預測還不完善,無法采用多尺度方法準確預測材料的非線性本構響應、強度和破壞模式。造成這一現狀主要有三個原因:損傷機理復雜且失效模型不完善、組分性能難以獲取以及紗線力學行為研究不充分。本文據此背景,提出了一種編織陶瓷基復合材料力學行為的多尺度分析方法,從微觀、細觀和單胞等多個尺度研究編織陶瓷基復合材料的力學行為和損傷機理。通過多尺度分析建立了材料宏觀力學行為與組分性能和細觀結構之間的聯(lián)系,揭示了材料宏觀力學行為的形成原因。建立了編織陶瓷基復合材料多種損傷機理的細觀力學模型。針對纖維斷裂,建立了纖維缺陷分布模型。該模型基于單絲拉伸試驗結果,將纖維中的缺陷分級,給出了任意長度纖維上各級缺陷出現的概率,由于纖維單絲強度等于單絲上最弱缺陷的強度,因此得到了纖維強度分布。針對基體開裂,建立了基體單元強度模型。該模型將基體劃分為很多個單元,給出了基體單元強度公式。當單元中基體應力大于基體單元強度時,該單元中便產生一個新的裂紋,且新裂紋的位置在該單元中隨機均勻分布。利用該模型模擬了拉伸過程中的基體裂紋擴展過程。針對纖維/基體界面反復滑移,建立了適用于任意加卸載歷程的界面滑移區(qū)分布模型。該模型給出了加卸載過程中界面正、反向滑移區(qū)的擴展和消失規(guī)律,還給出了界面上有任意多個正、反向滑移區(qū)時,各滑移區(qū)的長度和應力分布公式。提出了編織陶瓷基復合材料多種組分的原位性能測試方法。針對纖維原位性能,根據編織陶瓷基復合材料制備工藝對纖維進行熱處理,熱處理后的纖維可視為編織陶瓷基復合材料內部原位纖維。設計了單絲拉伸試驗和纖維束拉伸試驗,測量了纖維原位強度分布和彈性模量。針對基體裂紋密度和分布,設計了由加載臺和顯微鏡組成的基體裂紋在線觀測系統(tǒng)。加載臺可對小復合材料試件施加并測量拉伸載荷,同時用顯微鏡觀察基體裂紋分布。采用該方法獲得了不同應力水平下的基體裂紋密度和位置。利用小復合材料研究了編織陶瓷基復合材料內部紗線的力學行為并建立其本構模型。采用與編織陶瓷基復合材料相同的工藝制備小復合材料,小復合材料的性能可視為與編織陶瓷基復合材料內部紗線相同。設計了小復合材料力學測試系統(tǒng),測量了其單向拉伸和循環(huán)加卸載應力-應變響應。針對紗線本構響應和強度,提出了考慮失效纖維承載的紗線本構模型。該模型預測的小復合材料應力-應變響應、強度以及斷口形貌與試驗結果一致�；趯幙椞沾苫鶑秃喜牧霞氂^結構的觀測結果建立材料參數化單胞模型,模型中紗線的本構行為采用紗線本構模型計算得到。通過漸進損傷分析方法,獲得了單胞的單向拉伸和循環(huán)加卸載應力-應變響應以及拉伸過程中的單胞應力分布。無論是宏觀應力-應變響應、強度還是破壞模式,預測結果都與試驗結果一致。最后分析了組分性能和細觀結構對編織陶瓷基復合材料力學性能的影響,通過改變組分性能和細觀結構,獲得了具有不同宏觀力學性能的編織材料。數值計算結果充分說明了,多尺度分析方法可以建立復合材料宏觀力學響應與組分力學性能和細觀結構之間的聯(lián)系,也可以實現復合材料力學性能的可設計性。
【學位授予單位】：南京航空航天大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：V25
【圖文】：

紗線構成的骨架稱為預制體，預制體結構一般可分為單向、層合和編織等（參見圖 1.1）。其中編織結構通過紗線間的交叉連接，使其層間抗剪切性能、抗沖擊性能、損傷容限和斷裂韌性等優(yōu)于單向和層合結構。工程上使用的 CMCs 結構件一般為編織結構。

CMSE理論中基體開裂過程

【參考文獻】

相關期刊論文 前10條

1 焦健;楊金華;李寶偉;;熔滲法制備陶瓷基復合材料的研究進展[J];航空制造技術;2015年S2期

2 孫紅芳;趙鈿鈿;李冠樺;辜煬;李嘉鴻;王耀城;劉偉;李大望;;利用X射線微型計算機斷層掃描技術(Micro-XCT)進行鋼筋的通電腐蝕行為及裂縫的三維分布研究[J];電子顯微學報;2015年06期

3 焦健;劉善華;;化學氣相滲透工藝(CVI)制備陶瓷基復合材料的進展研究[J];航空制造技術;2015年14期

4 石多奇;牛宏偉;景鑫;周新貴;楊曉光;;考慮孔隙的三維編織陶瓷基復合材料彈性常數預測方法[J];航空動力學報;2014年12期

5 曾增;張慶茂;劉偉先;孔斌;;單向C/SiC陶瓷基復合材料基體失效機制與強度預測[J];復合材料學報;2015年04期

6 劉巧沐;黃順洲;劉佳;張乘齊;房人麟;裴會平;;高溫材料研究進展及其在航空發(fā)動機上的應用[J];燃氣渦輪試驗與研究;2014年04期

7 馬靜梅;宋健;劉惠蓮;華中;肖利;郭麗;;熱壓燒結α-SiC陶瓷基復合材料力學性能的研究[J];吉林師范大學學報(自然科學版);2014年03期

8 焦健;陳明偉;;新一代發(fā)動機高溫材料—陶瓷基復合材料的制備、性能及應用[J];航空制造技術;2014年07期

9 焦健;王宇;邱海鵬;陳明偉;李秀倩;高淑雅;張文武;;陶瓷基復合材料不同加工工藝的表面形貌分析研究[J];航空制造技術;2014年06期

10 李潘;王波;甄文強;矯桂瓊;;2D-SiC/SiC復合材料拉伸加卸載行為[J];復合材料學報;2014年03期

相關博士學位論文 前6條

1 方光武;復雜預制體陶瓷基復合材料疲勞失效機理及多尺度模擬[D];南京航空航天大學;2016年

2 郭洪寶;平紋編織陶瓷基復合材料損傷耦合機理研究[D];西北工業(yè)大學;2016年

3 代吉祥;碳纖維熱處理對C-SiC基復合材料微觀組織結構及性能影響的研究[D];大連理工大學;2015年

4 李俊;二維C/SiC復合材料的非線性本構關系研究[D];西北工業(yè)大學;2014年

5 盧彥斌;X射線CT成像技術與多模態(tài)層析成像技術研究[D];北京大學;2012年

6 侯穎;錐束XCT系統(tǒng)的定標方法研究[D];大連理工大學;2010年

相關碩士學位論文 前4條

1 薛建剛;陶瓷基復合材料各向異性損傷本構模型[D];南京航空航天大學;2016年

2 李龍;考慮溫度的CMCs本構模型及驗證[D];南京航空航天大學;2014年

3 楊福樹;2.5維編織陶瓷基復合材料疲勞行為研究[D];南京航空航天大學;2012年

4 張增光;2D-C/SiC復合材料的彈性常數預測及失效模式研究[D];西北工業(yè)大學;2005年

本文編號：2723300