随着计算机科学、人工智能技术的不断进步,材料设计逐渐成为与材料实验和材料理论并行发展的三个方向之一。本文以航空发动机热端部件用连续碳纤维增强的SiC陶瓷基复合材料(C/SiC)为研究对象,以材料虚拟设计为目标,针对航空发动机复杂恶劣的高温服役环境,重点研究了材料环境性能演变、化学气相渗透(CVI)和化学气相沉积(CVD)制备过程的计算机模拟理论与方法,建立了材料闭环设计和跨尺度设计软件系统,并进行了相关实验验证。实现了材料制造与服役过程信息的获取,缩短了材料制造与环境性能考核的周期和降低了研发成本,促进了航空发动机新型材料的发展。在此基础上,发展了材料设计的理论与方法。主要研究结果如下: 1.首次提出了“环境—微结构”两要素材料设计的原理和模型,为材料的“闭环设计”提供了数学表述,并以“阶”的概念对“跨尺度设计”的层次进行定量表述。从而为材料设计的两大难题——“闭环设计”和“跨尺度设计”建立了数学模型。 2.C/SiC复合材料的制造过程涉及宏观尺度的构件排布优化与反应器流场模拟、细观尺度的预制体化学气相渗透以及微观尺度的制备产物计算等问题。本文综合运用遗传算法、有限元法、边界层理论、两步三阶段法、量子化学和化学热力学等计算理论和方法,研究了C/SiC复合材料及其构件制造过程中的宏微观现象,从而优化了CVI/CVD工艺参数: 1) 为了合理利用反应器空间,采用遗传算法实现了宏观尺度构件群的空间排布优化。通过流场模拟表明,构件背风面通常比迎风面的层流边界层厚。可采用降低气体流量的方式减小其厚度差异,也可通过多次调换构件放置姿态,从而获得表面沉积质量较均匀的构件。 2) 根据热解碳(PyC)界面层和SiC基体沉积两个步骤,以及PyC界面层填充单丝纤维间的小孔隙、SiC基体填充单丝纤维间剩余的小孔隙以及SiC基体填充纤维束间的大孔隙三个阶段,首次提出了CVI过程模拟的“两步三阶段法”,实现了C/SiC的PyC界面层与SiC基体制造过程模拟。