连续纤维增强陶瓷基复合材料弱界面裂纹扩展研究

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连续纤维增强陶瓷基复合材料(CFCC)具有耐高温、抗氧化、比强度高和韧性好等优点,在航空航天领域的热端部件已逐步得到应用,是各国重点研究的材料之一,对其力学性能的研究也受到越来越多的关注。由于多数CFCC的界面强度相对较弱,断裂过程比传统复合材料复杂的多,探明其断裂过程和影响断裂过程的因素是深入研究和应用CFCC的关键。本文首先从CFCC基体缺陷出发,将缺陷合理简化为唇形缺陷,利用复变函数理论和保角变换定理求解缺陷应力强度因子(SIF)的理论解,将其作为裂纹扩展的判据,并进一步分析缺陷的几何尺寸对SIF的影响,为后续研究CFCC的断裂过程奠定了基础。其次,针对含有弱界面的CFCC横向断裂过程展开模拟分析,基于内聚力模型模拟代表体元(RVE)的横向拉伸断裂过程,分别探究了理想RVE的断裂过程和含有唇形缺陷的RVE的断裂过程,发现两种RVE的断裂过程不同。此外还探究了影响横向断裂过程的因素,重点分析了弱界面的存在对断裂过程的影响,得到了断裂过程的应力-应变曲线,并探究了影响应力-应变曲线的因素。然后又对含有弱界面的三维RVE模型进行纵向拉伸断裂模拟,断裂过程涉及到基体裂纹扩展和弱界面脱粘过程,清晰地展现了CFCC材料纵向拉伸的断裂过程,分析了弱界面导致的界面脱粘现象,得到了断裂过程的应力-应变曲线,并探究了弱界面对应力-应变曲线的影响。最后,本文以C/SiC复合材料为例,通过实验得到了横向拉伸和纵向拉伸断裂过程的应力-应变曲线,验证了有限元模拟,并利用扫描电镜观察裂纹的微观形貌特征和断口形貌,验证了横向断裂过程中裂纹沿着弱界面扩展的现象以及纵向拉伸断裂过程中的界面脱粘现象。
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