楊甜甜,張典堂,邱海鵬,錢 坤,謝巍杰,王 嶺

（1．江南大學(xué) 生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214122；2．航空工業(yè)復(fù)合材料技術(shù)中心，北京 101300）

碳化硅纖維增強(qiáng)碳化硅基體（SiCf/SiC）復(fù)合材料，具有低密度、高硬度、高比模量等特點(diǎn)[1-3]，且兼有耐高溫、抗氧化、抗腐蝕、耐磨損等優(yōu)異性能[4-8]，廣泛應(yīng)用于燃燒室、渦輪導(dǎo)葉、內(nèi)襯板、渦輪工作葉片、內(nèi)涵道和尾噴管調(diào)節(jié)片等航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端高溫部件[9-12]（圖 1）。其中，以紡織結(jié)構(gòu)增強(qiáng)的SiCf/SiC紡織復(fù)合材料有望在充分發(fā)揮高效減重及低成本優(yōu)勢(shì)的前提下，利用其預(yù)成型體結(jié)構(gòu)靈活多變及可設(shè)計(jì)性強(qiáng)的特點(diǎn)[13-16]，實(shí)現(xiàn)材料性能的“特定規(guī)劃”及復(fù)雜異型構(gòu)件的近凈尺寸制備，可避免因材料拼接而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)缺陷，從而成為熱端高溫主承力構(gòu)件和功能構(gòu)件的理想候選結(jié)構(gòu)材料[17-19]。

雖然SiCf/SiC紡織復(fù)合材料已在航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端高溫部件得到了一些應(yīng)用，然而其細(xì)觀表征及力學(xué)性能研究仍然處于初級(jí)階段[20-23]。這主要是由于：（1）SiCf纖維價(jià)格昂貴，且纖維性能穩(wěn)定性差；（2）復(fù)合周期長，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)樣本少，力學(xué)性能表征和失效機(jī)理研究還不夠充分；（3）SiCf/SiC紡織復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且具有高的孔隙率，呈現(xiàn)出高度的非均勻性和各向異性，這就給材料的強(qiáng)度及損傷數(shù)值分析帶來極大的困難。本研究針對(duì)SiCf/SiC紡織復(fù)合材料，圍繞其細(xì)觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)表征和數(shù)值模擬分析等三個(gè)方面，概述SiCf/SiC復(fù)合材料近幾年的研究現(xiàn)狀，以期為航空熱端高溫部件用SiCf/SiC紡織復(fù)合材料選材提供依據(jù)。

1 SiCf/SiC 紡織復(fù)合材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)

目前，用于航空熱端高溫部件陶瓷基復(fù)合材料的紡織結(jié)構(gòu)主要包括：二維平紋/二維斜紋[24]（圖 2）、三維編織[25]（圖 3）、三維機(jī)織[24]（圖 4）和三維縫合[26]（圖 5）等。

通常，紡織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出明顯的周期性，大多數(shù)學(xué)者多選用細(xì)觀單胞法（RVE）開展相關(guān)研究[27-32]?？梢?，精確描述細(xì)觀結(jié)構(gòu)是定量表征和預(yù)測(cè)SiCf/SiC紡織復(fù)合材料宏細(xì)觀力學(xué)行為的重要前提。

陶瓷基紡織復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征主要包括纖維束路徑、纖維束截面、基體和孔隙分布等。Li[27-29]、Zhang[30-31]、邱睿[32]等分別針對(duì)三維四向、三維五向編織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、2.5維機(jī)織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，建立其細(xì)觀模型?？傮w講，上述模型多借鑒樹脂基復(fù)合材料，往往將細(xì)觀紗線束截面假定為橢圓形、圓形、矩形、多邊形或者某兩個(gè)形狀的有機(jī)組合，而將紗線路徑假定為直線或規(guī)律的曲線。事實(shí)上，由于紗線之間的相互作用，紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料細(xì)觀模型極為復(fù)雜，通常會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的局部擠壓變形。同時(shí)，Chateau[33]討論了孔隙對(duì)單向纖維增強(qiáng)二維編織SiCf/SiC復(fù)合材料性能的影響。結(jié)果表明，復(fù)合材料的孔隙率由4%提高到9%時(shí)，橫向剛度降低到50%左右。可以看出，孔隙是SiCf/SiC紡織復(fù)合材料的重要缺陷[34]（圖6），對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能有不利影響，而已有模型往往忽略孔隙分布。顯然，這些并不能對(duì)陶瓷基紡織復(fù)合材料的最終力學(xué)性能形成有效預(yù)測(cè)。

圖1 SiCf/SiC 復(fù)合材料在航空熱端部件應(yīng)用 （a）燃燒室火焰筒；（b）渦輪外環(huán)；（c）火焰穩(wěn)定器；（d）渦輪導(dǎo)向葉片F(xiàn)ig.1 Application of SiCf/SiC composites in aerospace hot end components （a）combustion chamber flame cylinder；（b）turbine outer ring；（c）flame stabilizers；（d）turbine vane

圖2 二維機(jī)織物的典型結(jié)構(gòu)[24] （a）平紋；（b）斜紋Fig. 2 Typical structures of 2D woven fabrics[24]（a）plain woven；（b）twill woven

圖3 三維編織結(jié)構(gòu)[25]Fig.3 3D braided structure[25]

圖4 三維機(jī)織結(jié)構(gòu)[24] （a）層層角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)；（b）貫穿角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)；（c）正交接結(jié)結(jié)構(gòu)Fig.4 3D woven structure[24] （a）layer upon layer angleinterlock structure；（b）through and through angleinterlock strucyure；（c）orthogonal binder structure

圖5 三維縫合預(yù)制體結(jié)構(gòu)示意圖[26]Fig.5 Schematic diagram of a three-dimensional stitchedpreform[26]

圖6 SiCf/SiC 復(fù)合材料的孔隙[34]Fig.6 Porosity of SiCf/SiC composites[34]

近年來，紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料不確定度的量化表征越來越受到學(xué)者們的重視。目前，主要以基于微計(jì)算機(jī)斷層掃描（Micro-CT）的統(tǒng)計(jì)模型為主。該方法首先通過Micro-CT獲得紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料內(nèi)部的三維圖像；之后，采用統(tǒng)計(jì)算法分別對(duì)纖維束截面/路徑及基體等特征數(shù)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；在此基礎(chǔ)上，對(duì)圖像進(jìn)行有效地簡化，形成最終的統(tǒng)計(jì)細(xì)觀模型，以用來開展有限元分析[35]（圖7）。該方法可以真實(shí)地反映紡織復(fù)合材料細(xì)觀模型的非均質(zhì)性。程震[36]借助于CT掃描觀察陶瓷基三維編織復(fù)合材料的細(xì)觀內(nèi)部單胞，將纖維束截面假定為平行四邊形與五邊形的結(jié)合（圖8），改進(jìn)了三維實(shí)體模型。

Bale等[37]采用Micro-CT對(duì)SiCf/SiC和C/SiC三維紡織復(fù)合材料機(jī)進(jìn)行觀測(cè)，并采用統(tǒng)計(jì)算法實(shí)現(xiàn)其模型的重構(gòu)。

圖7 基于 Micro-CT 統(tǒng)計(jì)分析模型[35]Fig.7 Based on the Micro-CT statistical analysis model[35]

圖8 纖維束實(shí)體的創(chuàng)建[36]Fig.8 Establishing of yarn’s solid model[36]

Rinaldi[38]提出一種基于馬爾可夫鏈算子的蒙特卡羅算法，重構(gòu)了與Micro-CT圖像相同統(tǒng)計(jì)屬性的三維機(jī)織復(fù)合材料細(xì)觀模型。Ali[39]利用Micro-CT觀察平紋機(jī)織復(fù)合材料，并基于圖像構(gòu)建平紋機(jī)織復(fù)合材料的細(xì)觀體積單元。Blacklock[40]基于Micro-CT圖像定量統(tǒng)計(jì)三層角聯(lián)鎖編織復(fù)合材料中纖維束幾何形狀的有效數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)均質(zhì)化缺陷模型的重構(gòu)（圖9）。Naouar[41]提出一種基于Micro-CT的三維機(jī)織復(fù)合材料有限元模型的直接確定方法（圖10）。結(jié)果表明，其仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)試吻合較好，適用于內(nèi)部細(xì)觀幾何形態(tài)復(fù)雜的多維多向織物結(jié)構(gòu)。

圖9 均質(zhì)化缺陷模型[40]Fig.9 Homogenized defect model[40]

圖10 四面體網(wǎng)格模型[41]Fig.10 Tetrahedral mesh model[41]

有關(guān)含孔隙陶瓷基復(fù)合材料細(xì)觀模型重構(gòu)方面，F(xiàn)eng[42]研究三維編織陶瓷基復(fù)合材料的孔隙率，并通過Micro-CT技術(shù)掃描觀察紗線的橫截面以及基體中存在的孔隙。Shi[43]采用蒙特卡羅模擬方法研究三維編織陶瓷基復(fù)合材料基體中隨機(jī)分布的孔隙，模擬材料的缺陷及對(duì)彈性力學(xué)性能的影響。Ya[44]采用Micro-CT技術(shù)，在細(xì)觀尺度（紗線尺度）上對(duì)三維全五向編織復(fù)合材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和孔隙進(jìn)行無損檢測(cè)。為了更好地表征，該作者還引入示蹤紗，有效地對(duì)紗線截面/路徑及孔隙進(jìn)行重構(gòu)。Shen[45]基于對(duì)三維編織SiCf/SiC復(fù)合材料掃描電鏡分析，根據(jù)微幾何參數(shù)測(cè)量得出需要的RVE模型的特征參數(shù)，建立帶有孔隙結(jié)構(gòu)位置、形狀且誤差小于1%的RVE模型（圖11）。并與SEM圖像的微結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行比較，結(jié)果顯示，所建立模型適合于CVI工藝三維編織SiCf/SiC復(fù)合材料。

圖11 CVI處理的三維編織 RVE 模型[45]Fig.11 CVI processing 3D braided RVE model[45]

綜上，雖然學(xué)者們已對(duì)SiCf/SiC紡織結(jié)構(gòu)陶瓷基復(fù)合材料的細(xì)觀模型進(jìn)行了許多研究，然而，SiCf紡織結(jié)構(gòu)群龐大，如何建立含孔隙分布的不同結(jié)構(gòu)SiCf/SiC紡織復(fù)合材料精細(xì)化模型仍是目前的難點(diǎn)。同時(shí)，也需要注意過于追求精細(xì)化的單胞結(jié)構(gòu)會(huì)給后續(xù)模型網(wǎng)格劃分、組分材料屬性定義及有限元分析帶來一定的難度。

2 SiCf/SiC 復(fù)合材料力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)表征

SiCf/SiC紡織復(fù)合材料作為高溫?zé)峤Y(jié)構(gòu)材料，主要應(yīng)用于高溫、氧化、腐蝕及其與力耦合等苛刻的服役環(huán)境。因此，國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于SiCf/SiC紡織復(fù)合材料的研究主要集中在環(huán)境因素下復(fù)合材料的力學(xué)性能和破壞機(jī)理。

圖12 SiC/SiC 復(fù)合材料斷口形貌 SEM 圖像[46] （a）HT0；（b）HT1300；（c）HT1500Fig.12 SEM images of fracture morphology of SiC/SiC composites at （a）HT0；（b）HT1300；（c）HT1500[46]

研究發(fā)現(xiàn)[46-49]，界面相存在纖維與基體之間，其作用主要包括：（1）保護(hù)SiCf纖維，從而減少纖維的表面缺陷；（2）有效傳遞載荷，控制裂紋的偏轉(zhuǎn)；（3）調(diào)節(jié)纖維與基體之間的熱應(yīng)力；（4）提高纖維與基體之間的化學(xué)相容性；（5）阻止或抑制纖維氧化。Han[46]將SiCf/SiC復(fù)合材料分別在1300 ℃和1500 ℃的Ar氣氛中高溫處理50 h，通過拉伸實(shí)驗(yàn)獲得SiCf/SiC復(fù)合材料熱處理前后的力學(xué)性能，并用掃描電鏡（SEM）觀測(cè)分析斷口形貌（圖12），可以看出，在不同溫度處理后，均存在纖維的拔出現(xiàn)象，但當(dāng)處理溫度低于1500 ℃時(shí)，纖維與界面之間沒有明顯的孔隙，界面良好。當(dāng)處理溫度為1500 ℃時(shí)，大量的纖維抽拔明顯，纖維與界面之間的結(jié)合力變?nèi)?，說明此時(shí)界面變得非常脆弱。結(jié)果表明，SiCf/SiC復(fù)合材料經(jīng)1300 ℃熱處理后拉伸強(qiáng)度保持不變，經(jīng)1500 ℃熱處理后由于纖維力學(xué)性能受到嚴(yán)重破壞，界面變得非常脆弱，拉伸強(qiáng)度下降。于新民[47]采用低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）法制備具有熱解碳界面層的2.5維SiCf/SiC復(fù)合材料，利用阿基米德排水法測(cè)量氣孔率，三點(diǎn)彎曲法測(cè)量其強(qiáng)度，系統(tǒng)研究SiCf/SiC復(fù)合材料中的殘余孔洞以及熱解界面層厚度對(duì)材料力學(xué)性能的影響。Ikarashi[48]通過對(duì)具有BN界面的三維編織SiCf/SiC復(fù)合材料在1100 ℃下進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)、恒拉伸載荷實(shí)驗(yàn)和疲勞拉伸實(shí)驗(yàn)，并揭示其在高溫常壓和循環(huán)載荷作用下的斷裂機(jī)理。結(jié)果表明，纖維-基體界面氧化引起的氧化基體裂紋擴(kuò)展和纖維-基體界面剪切應(yīng)力的降低均對(duì)SiCf/SiC復(fù)合材料的壽命有顯著影響。趙爽[49]通過PIP工藝分別制備了強(qiáng)度相近、但斷裂韌度不同的PyC界面和CNTs界面的三維編織SiCf/SiC復(fù)合材料。結(jié)果表明，以PyC為界面層的SiCf/SiC復(fù)合材料呈偽塑性斷裂模式；而以CNTs為界面的SiCf/SiC復(fù)合材料呈脆性斷裂模式。Luo[50-51]通過采用含乙烯基液態(tài)聚碳硅烷（LPVCS）為先驅(qū)體、裂解碳（PyC）界面涂層、熱模壓工藝及環(huán)境障礙涂層（EBC）等工藝優(yōu)化措施，對(duì)PIP技術(shù)制備三維編織SiCf/SiC復(fù)合材料工藝進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)其進(jìn)行高溫（1300 ℃）氧化環(huán)境下的彎曲性能、拉伸性能測(cè)試。所用高溫彎曲性能測(cè)試裝備為改進(jìn)的WDW-100型高溫電子萬能試驗(yàn)機(jī)，將試樣放入高溫箱中，對(duì)其進(jìn)行升溫處理后進(jìn)行加載，測(cè)試試樣在高溫下的彎曲性能。將準(zhǔn)備的拉伸試樣放入上方帶有加熱裝置的拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明，具有PyC界面涂層的三維編織SiCf/SiC復(fù)合材料在1300 ℃下具有良好的高溫彎曲性能。由此可見，界面相可通過平衡載荷傳遞和應(yīng)力分布提升陶瓷基復(fù)合材料的強(qiáng)韌性，對(duì)陶瓷基復(fù)合材料的力學(xué)性能起著至關(guān)重要的作用。然而，要使得SiCf/SiC紡織復(fù)合材料在服役條件下發(fā)揮其性能的最大優(yōu)勢(shì)，還可從以下兩個(gè)方面來改善。（1）對(duì)SiCf纖維表面涂層：國內(nèi)外用于SiCf/SiC復(fù)合材料的界面材料主要有熱解碳（PyC）、SiC、BN等，其中PyC因其表面致密，可以顯著修復(fù)纖維表面缺陷和裂紋，作為界面相可以顯著改善陶瓷基復(fù)合材料的力學(xué)性能，且涂層厚度在200~500 nm 時(shí)材料的力學(xué)性能最佳[51]；（2）對(duì)SiCf/SiC復(fù)合材料進(jìn)行表面環(huán)境障礙涂層（EBC）：目前采用多層界面層對(duì)SiCf/SiC復(fù)合材料進(jìn)行涂層，改善了單層界面層的單一性，莫來石（Mullite）及稀土硅酸鹽因具有優(yōu)異的高溫抗氧化性、低熱導(dǎo)率及與SiC良好的熱匹配性，成為制備SiC/SiC復(fù)合材料表面EBC的主要候選材料[52]，而著眼于未來復(fù)合材料的發(fā)展與應(yīng)用，第四代T/EBC涂層制備SiCf/SiC復(fù)合材料也逐漸發(fā)展起來。

除了界面性能之外，作為增強(qiáng)相的紡織預(yù)制體的組織結(jié)構(gòu)對(duì)陶瓷基復(fù)合材料力學(xué)性能同樣有著很大的影響。謝巍杰[53]以聚碳硅烷為先驅(qū)體，三維四向SiC纖維預(yù)制體為增強(qiáng)相，采用聚合物先驅(qū)體浸漬裂解工藝制備SiCf/SiC復(fù)合材料。在真空條件下利用三點(diǎn)彎曲加載法和單邊切口梁法對(duì)制備的SiCf/SiC復(fù)合材料進(jìn)行不同溫度下的力學(xué)性能測(cè)試。結(jié)果顯示，國產(chǎn)一代SiCf/SiC復(fù)合材料在1200 ℃時(shí)，彎曲性能和斷裂韌度最大。Morscher[54]在1315 ℃的溫度下，研究具有先進(jìn)高溫結(jié)構(gòu)應(yīng)用潛力的二維編織SiCf/SiC復(fù)合材料的拉伸蠕變和斷裂行為。結(jié)果表明，所測(cè)試的復(fù)合材料的蠕變和斷裂性能主要取決于纖維型的蠕變阻力。Zhao[55-56]探究不同的高溫處理溫度（1400 ℃、1600 ℃、1800 ℃）和高溫處理時(shí)間對(duì)PIP制備的三維編織SiCf/SiC復(fù)合材料穩(wěn)定性的影響，并采用納米壓痕技術(shù)測(cè)量纖維、基體的彈性模量。結(jié)果表明，隨著高溫處理時(shí)間的增加，材料的力學(xué)性能先上升后下降。當(dāng)處理溫度大于1600 ℃后，纖維彈性模量減小幅度增大，材料力學(xué)性能出現(xiàn)大幅度地下降。韓旭旭[57]通過統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律預(yù)測(cè)了二維編織SiCf/SiC室溫和1200 ℃抗拉強(qiáng)度。Legin[58]研究三維編織SiCf/SiC復(fù)合材料在單軸拉伸作用下的力學(xué)行為和損傷機(jī)理。在室溫下進(jìn)行加載/卸載/再加載滯回實(shí)驗(yàn)，同時(shí)使用聲發(fā)射和顯微觀察來表征機(jī)械行為和監(jiān)測(cè)漸進(jìn)損傷。所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明三維編織結(jié)構(gòu)在拉伸加載過程中不常見的面外應(yīng)變和剪切應(yīng)變演化，導(dǎo)致了復(fù)雜的損傷機(jī)制。韓笑[59]在1200~1500 ℃氬氣保護(hù)環(huán)境下對(duì)SiCf/SiC復(fù)合材料在管式高溫爐中進(jìn)行50 h的高溫處理，通過采用帶有能譜分析儀（EDS）的掃描電鏡（SEM）對(duì)處理前后的試樣進(jìn)行分析。對(duì)不同處理溫度后的SiCf/SiC復(fù)合材料進(jìn)行單向拉伸實(shí)驗(yàn)，每個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)，得到SiCf/SiC復(fù)合材料初始剛度和拉伸強(qiáng)度隨處理溫度的變化規(guī)律。Li[60]以KD-I和KD-II型碳化硅纖維編織預(yù)制體為增強(qiáng)材料，采用PIP技術(shù)，在微波加熱輔助下制備三維編織SiCf/SiC復(fù)合材料。微波加熱溫度為1100 ℃、1200 ℃、1300 ℃、1400 ℃。主要研究復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)、彎曲性能和斷裂行為。結(jié)果表明，與KD-I SiCf/SiC復(fù)合材料相比，KD-II SiCf/SiC復(fù)合材料具有更高的抗彎性能和更好的非脆性斷裂性能。因此，結(jié)構(gòu)的多樣化、材料的屬性都會(huì)使得SiCf/SiC復(fù)合材料的性能表現(xiàn)出很大的差異。目前來看，（1）二維編織SiCf/SiC復(fù)合材料在制備周期和成本以及面內(nèi)應(yīng)力方面存在著一定的優(yōu)勢(shì)，但其整體的力學(xué)性能較差；（2）三維編織SiCf/SiC復(fù)合材料由于具有復(fù)雜構(gòu)件一次成型、截面可連續(xù)變化、紗線取向可設(shè)計(jì)性等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。目前國內(nèi)外學(xué)者大多對(duì)三維四向SiCf/SiC復(fù)合材料進(jìn)行研究，也挖掘出優(yōu)異的力學(xué)性能，隨著對(duì)材料性能要求的進(jìn)一步提高，三維五向SiCf/SiC復(fù)合材料也慢慢發(fā)展起來，研究表明[61]，三維五向SiCf/SiC復(fù)合材料因?yàn)閆向紗的存在，拉伸性能、強(qiáng)度、模量均比三維四向SiCf/SiC復(fù)合材料好得多。（3）2.5維編織結(jié)構(gòu)作為三維機(jī)織結(jié)構(gòu)的特殊形式，解決了編制結(jié)構(gòu)層數(shù)多、厚度大的問題，成型工藝簡單、成型速率較快且能最大限度滿足織物尺寸和形狀需要，近年來以它作為增強(qiáng)體的復(fù)合材料由于結(jié)構(gòu)和工藝上的優(yōu)勢(shì)在航空航天領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注。研究表明[62]，后期涂層對(duì)2.5維SiCf/SiC復(fù)合材料的密度和力學(xué)性能較三維SiCf/SiC復(fù)合材料有明顯的改善。

綜上，局限于SiCf纖維昂貴的成本、復(fù)雜的預(yù)成型/復(fù)合工藝和高溫力學(xué)測(cè)試，目前，SiCf/SiC復(fù)合材料的高溫力學(xué)性能研究較少，多集中于一代SiCf/SiC復(fù)合材料。由于SiCf離散性大，預(yù)成型/復(fù)合成型損傷嚴(yán)重，尚未形成紡織結(jié)構(gòu)對(duì)SiCf/SiC復(fù)合材料力學(xué)性能影響的共性結(jié)論。因此，如何借助Micro-CT、DIC、聲發(fā)射等先進(jìn)設(shè)備，系統(tǒng)地評(píng)價(jià)不同紡織結(jié)構(gòu)SiCf/SiC復(fù)合材料在高溫多工況下的力學(xué)行為及破壞模式是未來研究的重點(diǎn)。

3 SiCf/SiC 復(fù)合材料宏細(xì)觀力學(xué)性能數(shù)值模擬

為了降低實(shí)驗(yàn)成本，且捕捉漸進(jìn)變形和損傷過程，力學(xué)性能數(shù)值模擬已經(jīng)成為當(dāng)前主流的研究手段。而針對(duì)SiCf/SiC復(fù)合材料“材料”和“結(jié)構(gòu)”兩個(gè)層面，細(xì)觀和宏觀模擬是研究難點(diǎn)，尤其是損傷行為。

對(duì)于SiCf/SiC紡織復(fù)合材料的細(xì)觀力學(xué)性能數(shù)值模擬，目前通常使用的是基于編織結(jié)構(gòu)的一個(gè)代表性體積單元（RVE）即單胞模型所建立的一系列方法，包括剛度平均法、選擇平均法、細(xì)觀力學(xué)有限元法[63]、多尺度漸進(jìn)分析方法[64]、圖像有限元法、建模有限元法、數(shù)字化單元等。李潘[65]通過實(shí)驗(yàn)和建立加卸載細(xì)觀力學(xué)模型，對(duì)二維SiCf/SiC復(fù)合材料拉伸加卸載行為進(jìn)行探討。建立單向連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料加卸載細(xì)觀力學(xué)模型，采用斷裂統(tǒng)計(jì)方法得到纖維和基體的損傷過程，并將模型應(yīng)用于二維SiCf/SiC復(fù)合材料。Lu[66]采用碰撞算法構(gòu)造具有隨機(jī)排列的紗線代表性體積單元（RVC），基于分兩步進(jìn)行多尺度漸進(jìn)損傷分析方法，對(duì)2.5維機(jī)織復(fù)合材料在單軸拉伸作用下的應(yīng)力-應(yīng)變行為和漸進(jìn)損傷進(jìn)行模擬。驗(yàn)證了2.5維織物復(fù)合材料在緯向和經(jīng)向的單軸拉伸下的模擬應(yīng)力-應(yīng)變曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。認(rèn)為2.5維織物復(fù)合材料在經(jīng)紗（或緯紗）軸向張力作用下的主要失效模式是經(jīng)紗（或緯紗）縱向斷裂。Tang和Postle[67-69]建立四步法三維編織復(fù)合材料單胞纖維體積含量模型，在此基礎(chǔ)上通過數(shù)值模擬仿真和數(shù)學(xué)建模預(yù)測(cè)了三維編織復(fù)合材料的拉伸模量和剪切模量，結(jié)合編織結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)三維編織復(fù)合材料進(jìn)行非線性有限元分析。單忠德[70]基于三維編織復(fù)合材料紗束空間細(xì)觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)良好的周期性，提出一種三維織造層間增強(qiáng)的纖維棒復(fù)合材料幾何結(jié)構(gòu)，建立 0°/90°、45°/135°及 0°/90°/45°/135° 3 種織造方案下的復(fù)合材料單胞（圖13），基于單胞建立有限元模型，并通過施加周期性位移邊界條件，采用有限元分析的方法計(jì)算得到其等效彈性性能參數(shù)，并根據(jù)細(xì)觀應(yīng)力場(chǎng)分布制作實(shí)體模型，為三維織造層間增強(qiáng)的纖維棒復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。惠新育[71]基于平紋編織SiCf/SiC復(fù)合材料的制備過程和組分材料分布的多尺度特性，根據(jù)其掃描電子顯微鏡照片，建立纖維絲尺度和纖維束尺度單胞模型（圖14），使用有限元模型分析軟件結(jié)合周期性邊界條件理論并基于引入失效模式的Tsai-Wu張量準(zhǔn)則對(duì)復(fù)合材料的軸向拉伸強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測(cè)，數(shù)值模擬曲線與實(shí)驗(yàn)曲線吻合較好，實(shí)現(xiàn)對(duì)平紋編織SiCf/SiC復(fù)合材料強(qiáng)度的有效預(yù)測(cè)。胡殿印[72]根據(jù)二維編織SiCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料徑向與緯向纖維束交織形式，并結(jié)合相應(yīng)的橫截面顯微照片，采用3次樣條曲線對(duì)紗線截面輪廓進(jìn)行模擬，設(shè)定單胞模型中的紗線軌跡為正弦曲線，進(jìn)而建立單胞模型。通過計(jì)算分析得到纖維束的截面輪廓與軌跡線。

圖13 三維織造層間增強(qiáng)的纖維棒復(fù)合材料 3 種織造結(jié)構(gòu)[70] （a）0°/90°RVE 模型；（b）45°/135°RVE 模型；（c）0°/90°45°/135°RVE 模型Fig.13 Three kinds of weaving structures of fiber-bar composites by three dimensional weaving[70] （ a） 0°/90°RVE model；（b）45°/135°RVE model；（c）0°/90°45°/135°RVE model

圖14 存在兩種缺陷的 RVE 模型[71] （a）纖維束中的干斑；（b）基質(zhì)中的空隙Fig.14 RVE models with two kinds of defects[71] （ a） dry patches in fiber bundles；（b）voids in matrix

雖然細(xì)觀模擬對(duì)SiCf/SiC紡織復(fù)合材料力學(xué)性能能很好的預(yù)測(cè)，但是復(fù)合材料本身存在著紗線截面以及紗線路徑的隨機(jī)性，其次SiCf/SiC紡織復(fù)合材料是非均質(zhì)的，因此存在利用細(xì)觀模擬材料和結(jié)構(gòu)而無法匹配支撐的問題。利用宏觀尺度模型能更好的把握紗線自身的狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)力學(xué)性能更為精細(xì)的預(yù)測(cè)，是目前紡織復(fù)合材料宏觀力學(xué)性能分析的主要方法。主要的手段有均質(zhì)法、全尺寸細(xì)觀、混合模型等。近年來，齊澤文[73]為更精確地對(duì)含孔隙三維四向編織復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行預(yù)測(cè)，基于雙尺度分析方法研究基體中的干斑和孔隙對(duì)三維四向編織復(fù)合材料宏觀力學(xué)性能的影響，采用Monte-Carlo仿真技術(shù)在模型中投入氣孔單元（圖15），結(jié)果表明孔隙缺陷率對(duì)三維四向編織復(fù)合材料力學(xué)性能有較大的影響。顧伯洪團(tuán)隊(duì)[74-76]提出全尺寸細(xì)觀模型（圖16），對(duì)三維編織復(fù)合材料平板及圓管進(jìn)行沖擊力學(xué)性能和失效分析。同時(shí)對(duì)三維編織復(fù)合材料受彈體侵徹后的吸能機(jī)制和彈體在侵徹過程中的受力變化進(jìn)行分析，并模擬出靶板的破壞特征。Said[77]建立三維機(jī)織復(fù)合材料全尺寸模型，并通過Voronoi分割和體素網(wǎng)格劃分進(jìn)行有限元計(jì)算。方岱寧團(tuán)隊(duì)[78]基于Micro-CT，建立含缺陷紡織復(fù)合材料的圖像有限元模型，并進(jìn)行數(shù)值模擬。Wu[79]基于宏觀力學(xué)分析，對(duì)K型三維編織接頭的力學(xué)性能和碳纖維布參數(shù)的影響進(jìn)行研究，并通過已有的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。宏觀尺度模型被視為均質(zhì)材料，只是在材料彈性常數(shù)統(tǒng)計(jì)意義上反映其各向異性，難以定量揭示其局部缺陷特性及結(jié)構(gòu)整體損傷力學(xué)行為，當(dāng)纖維束交織結(jié)構(gòu)（屈曲、波動(dòng)等）趨近于真實(shí)狀態(tài)時(shí)，利用全尺寸細(xì)觀方法和圖像有限元方法建模、網(wǎng)格劃分和計(jì)算難度大大地增加。但是目前有關(guān)SiCf/SiC紡織復(fù)合材料宏觀性能的分析尚未見報(bào)道。

圖15 纖維束尺度代表性體積單元（RVE）有限元模型[73]Fig.15 Finite element model of yarn-scale RVE[73]

圖16 三維編織預(yù)成型體全尺寸細(xì)觀幾何模型[74] （a）三維四向編織預(yù)成型體；（b）三維五向編織預(yù)成型體Fig.16 3D braided preformed body full size mesoscopic geometry model[74] （a）three-dimensional four-directional braided preform；（b）three-dimensional five-directional braided preform

綜上，針對(duì)SiCf/SiC復(fù)合材料細(xì)觀數(shù)值模擬，研究工作主要是采用理想化細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行數(shù)值模擬，而考慮孔隙率及精細(xì)化纖維束形態(tài)的高保真細(xì)觀模擬還不夠充分。而針對(duì)SiCf/SiC復(fù)合材料宏觀數(shù)值模擬，如何建立既體現(xiàn)真實(shí)細(xì)觀結(jié)構(gòu)和缺陷三維紡織復(fù)合材料又低成本高精度的數(shù)值預(yù)報(bào)方法是發(fā)展的重點(diǎn)方向。同時(shí)，SiCf/SiC紡織復(fù)合材料在力-熱下非線性漸進(jìn)損傷模型的研究較少，也阻礙其數(shù)值模擬的發(fā)展。

4 總結(jié)與展望

陶瓷基復(fù)合材料綜合力學(xué)性能優(yōu)異，近幾年SiCf/SiC紡織復(fù)合材料因具有低密度、高硬度、高比模量等特點(diǎn)，且兼具有耐高溫、抗氧化、耐磨損等優(yōu)異性能，在航空航天、國防軍工及核領(lǐng)域具有著廣泛的應(yīng)用前景。本文從細(xì)觀結(jié)構(gòu)的構(gòu)建、SiCf/SiC紡織復(fù)合材料力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)表征和力學(xué)模擬分析三個(gè)方面對(duì)SiCf/SiC復(fù)合材料近幾年的研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，重點(diǎn)關(guān)注近幾年的最新研究成果，并對(duì)此展開探討，提出后續(xù)研究工作需要注意的問題，旨在為下一步的研究工作提供參考。

近年來對(duì)SiCf/SiC復(fù)合材料分析研究成果較少，缺乏針對(duì)孔隙以及空洞存在系統(tǒng)的理論來構(gòu)建其精細(xì)化模型，同時(shí)因?yàn)椴牧系某杀景嘿F，對(duì)其力學(xué)性能的測(cè)試研究也明顯滯后。目前對(duì)于SiCf/SiC復(fù)合材料的研究工作主要集中在兩個(gè)方面：（1）對(duì)于性能的測(cè)試主要針對(duì)一代碳化硅，而隨著二代、三代碳化硅纖維的產(chǎn)生，相關(guān)性能研究尚處于初級(jí)階段；（2）對(duì)于力學(xué)性能預(yù)測(cè)主要側(cè)重于理想化建模，從而對(duì)性能的預(yù)測(cè)存在著很大的誤差。針對(duì)以上兩個(gè)方面，認(rèn)為后續(xù)對(duì)SiCf/SiC復(fù)合材料的研究可從以下幾點(diǎn)著手：（1）隨著二代、三代碳化硅性能的不斷完善，研究者們可對(duì)其力學(xué)性能，特別是高溫力學(xué)性能進(jìn)行研究；（2）基于Micro-CT分析，并考慮孔隙率，對(duì)SiCf/SiC復(fù)合材料進(jìn)行精細(xì)化建立多尺度分析模型，從而展開更深入的研究；（3）為了解真實(shí)的結(jié)構(gòu)，并支撐細(xì)觀模型的構(gòu)建，獲得真實(shí)準(zhǔn)確的內(nèi)部結(jié)構(gòu)很有必要，可借助X射線、超聲波等檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行分析研究。