多元多层CC-SiC复合材料结构与性能数值研究.doc

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1、多元多层C/C-SiC复合材料结构与性能数值研究汪海滨1张卫红1许英杰1曾庆丰2张立同2（1西北工业大学中法并行工程联合实验室西安7100722西北工业大学超高温结构复合材料国防科技重点实验室西安710072）摘要：本文采用化学气相渗透法制备基体为PyC/SiC交替叠层的C/C-SiC复合材料，基于均匀化理论建立了复合材料的微结构模型，通过复合材料代表性体积元的等效计算获得复合材料宏观有效弹性模量，研究了PyC引入位置和孔隙对C/C-SiC复合材料力学性能的影响。结果表明，复合材料的宏观有效弹性模量与微观结构的形状、尺寸数值计算结果与部分实验结果具有较好的一致性，说明所提

2、出的微结构模型能够较为客观的反映复合材料真实情形。关键词：均匀化，PyC，C/C-SiC复合材料，化学气相渗透法1、引言Lions[1]等在上世纪七十年代中期针对复合材料弹性结构提出了均匀化分析方法，该方法基于微观小参数的展开，经过严格的数学推导，建立细观微结构设计空间材料分布的表征参数与微结构的宏观等效性能的物理关系，是处理具有小周期构造复合材料问题的重要理论方法。近几十年来，均匀化方法被广泛的应用于复合材料研究领域。Guinovart-Díaz等[2]利用均匀化方法预测了多相纤维复合材料的弹性模量；常崇义等[3]基于均匀化理论建立了单向纤维复合材料粘弹性性能预测方法。

3、化学气相渗透法(CVI)起源于六十年代中期，是在CVD(ChemicalVaporDeposition)的基础上发展而来的方法。CVI是在碳纤维预制体表面先沉积一层热解碳PyC(PyrolyticCarbon)，然后再分步或者同时沉积PyC和SiC以制备C/C-SiC复合材料。这种技术是将纤维预制体置于密闭的反应室内，通入反应气体，在高温下气体渗入预制体内部发生化学反应，沉积出陶瓷基体。本文在分析CVI方法制备的多元多层C/C-SiC复合材料真实结构特征的基础上，建立了反映复合材料宏、细观特征的微结构均匀化计算模型。模型体现了CVI方法的制备特点，计算结果可以预测复合材料

4、等效力学特性，并且可用于复合材料的分析与设计过程，实现复合材料的多尺度关联计算。2、多元多层C/C-SiC复合材料微结构模型的建立2.1复合材料的制备文中研究的是采用化学气相渗透法分段沉积的C/C-SiC复合材料，其基体为热解碳(PyC)和碳化硅(SiC)交替叠层的多层基体(PyC/SiC)。制备2种复合材料，沉积方案如表1所示。材料A，材料B的纤维预制体及界面层和涂层厚度均相同。材料A和材料B的基体为PyC/SiC多层基体，用交替沉积PyC和SiC制备。表1材料A，材料B复合材料的制备2.2复合材料微结构模型在扫描电子显微镜下观察材料A和材料B的显微结构，可以看出基体为

5、黑色和白色交替的多层结构。10µm10µm(a)(b)图1复合材料的元素分布（a）材料A的元素分布（b）材料B的元素分布图1为材料A和材料B的元素分布，可见碳纤维周围的两层黑色的为PyC基体，白色的为SiC基体，对复合材料做以下简化假设建立微结构模型：1)复合材料制备使用的纤维具有相同的直径、材料参数；2)纤维周围的基体不会发生相互干涉情形；3)单根纤维丝与纤维束具有相同的分布形式；4)纤维、界面层、涂层和基体均为各向同性材料；5)复合材料由微结构周期叠加得到。(a)(b)图2复合材料微结构模型（a）材料A的微结构模型（b）材料B的微结构模型图2为建立的材料A和材料B微结

6、构模型，可以看出微结构模型中呈现了纤维、PyC基体和SiC基体分布形式，能够反映复合材料的真实状况。2.3复合材料微结构模型的修正利用CVI方法制备的复合材料，一般含有一定的孔隙。图1中的复合材料元素分布也证实了这一特征。为了研究孔隙对复合材料宏观力学性能的影响，在图2的复合材料微结构模型中引入一定的空洞，来描述复合材料中的孔隙，对复合材料中的孔隙作如下假设：1)孔隙基本上分布在两根纤维的交界中心；2)孔隙的形状限定于圆形、矩形和三角形三种形式；3)孔隙只存在于SiC基体中，不影响复合材料的涂层。(a)(b)图3复合材料微结构孔隙模型（a）材料A的微结构孔隙模型（b）材料

7、B的微结构孔隙模型图3所示的为材料A和材料B的微结构圆形孔隙模型，可以将图中的圆形换成相应的矩形和三角形建立材料A和材料B的微结构矩形模型和微结构三角形模型。3、数值分析1、使用表1所示材料A和材料B的沉积方案分别建立两种复合材料微结构模型，利用图2所示的复合材料微结构模型预测材料A和材料B的宏观弹性模量。表2C/SiC复合材料组元性能和实验测试数据复合材料组元性能实验数据预测结果（GPa）弹性模量（GPa）Cfiber(T300)PyCCVI-SiC弹性模量（GPa）Porosity（%）材料A22030350101.431