碳基复合材料烧蚀性能的多尺度研究

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1、先进复材技术ADVANCEDCOMPOSITESTECHNOLOGY*碳基复合材料烧蚀性能的多尺度研究ResearchonMulti-ScaleModelingofCarbon-BasedCompositesinAblation北京工业大学刘 娜 杨庆生国机集团北京飞机强度研究所黄祎丰[摘要]简要介绍了碳基复合材料烧蚀性能的多能的宏、微观演化规律，控制材料的失效与破坏具有重尺度分析方法，重点阐述了多尺度方法在碳基复合材料要意义。多尺度分析方法是考虑空间和时间的跨尺度的等效性能，烧蚀粗糙度形貌，烧蚀多物理场耦合上的与跨

2、层次特征，并将相关的尺度耦合的新方法，是计算[7]应用，最后对多尺度分析方法的应用前景进行了展望。各种复杂的材料科学和工程问题的重要的技术方法。关键词：多尺度模拟碳基复合材料烧蚀表近年来，随着细观力学分析方法的发展和均匀化理面衰退论的深入，发展微细观到宏观的多尺度方法在工程应用[ABSTRACT]Themulti-scaleanalysisofcarbon-中得到广泛关注。部分学者开始将多尺度这种重要的basedcompositesinablationissimplyintroduced.Then技术方法用来分析研究

3、碳基烧蚀材料的力学性能，并对theapplicationofmulti-scalemethodinpropertiesho-其烧蚀的多尺度演化进行了数值模拟。本文综述了多mogenization,multi-scaleablationmorphologyandmulti-尺度分析方法在碳基复合材料性能分析中的研究进展，physicscouplingofcarbon-basedmaterialsinablationis并对多尺度方法在碳基复合材料烧蚀分析中的应用研focusedon.Finally,aperspecti

4、vetothemulti-scaleanaly-究进行了展望。sismethodisgiven.1 碳基复合材料的多尺度分析Keywords:Multi-scalemodelingCarbon-basedcompositesAblationSurfacerecession碳基复合材料一般通过化学气相沉积法（CVD）制DOI:10.16080/j.issn1671-833x.2015.03.086造的,是多尺度复合材料，在长度和时间上都具有多尺[8]度效应，不同尺度特征采用不同的数值分析方法，如随着人类文明的进步，材料

5、的使用也趋于多元化，图1所示。作为一种多相材料，碳基复合材料的力学性材料的使用条件日益苛刻，尤其航天飞行器热防护材料能与破坏机理不仅与宏观的性能有关，也与组分相的性[9]要求能承受高温、高压、高热流及高焓等复杂的空间环能与分布、增强相的形状以及增强相与基体之间的界[1]境，需要特别的热防护材料设计。空间飞行器在地球面特性等细观特征密切相关。目前复合材料的多尺度表面低轨道下运行，在原子氧的侵蚀下材料表面会发生分析已经发展到在纳米尺度上的力学行为表征。材料[2][10,11]各种退化损伤。碳基复合材料，以碳纤维或碳化硅等

6、多尺度分析是深刻认识材料机理的重要技术方法。[3]陶瓷纤维为增强体，以碳为基体的复合材料的总称，Ⅰ密度泛函理论Ⅳ如碳/碳（C/C）复合材料、碳/碳化硅（C/SiC）复合材料Ⅱ分子动力学Ⅲ蒙特卡洛方法和碳/酚醛树脂（C/R）复合材料，以其耐高温、低密度、3Ⅳ连续介质力学Ⅲ高比模、高比强、抗热震、耐腐蚀、摩擦性能好、吸振性好/s)0及热膨胀系数小等优异性能，尤其能耐受3300K的高温T环境，在抗烧蚀、耐摩擦、热防护结构、抗核辐射及高温-3Ⅱ[4-5]热结构等领域得到了广泛的应用，主要在航空航天-6领域中用作热结构材料和烧

7、蚀材料。时间尺度(lgⅠ材料在空间和时间上的多尺度现象是材料科学中-9[6]材料变形和失效的固有现象。随着航天技术的迅猛发-12展，对防热材料及其结构在极端复杂环境下的性能表征-9-8-7-6-5-4-3和热损毁机理的研究日趋迫切，弄清碳基热防护材料性空间尺度(lgX/m)图1材料的时间与长度多尺度*　国家自然科学基金项目（11172012）支持。Fig.1Multi-scaleofmaterialsintime-scaleandlength-scale86航空制造技术·2015年第3期ADVANCEDCOMPOSI

8、TESTECHNOLOGY先进复材技术[12]不同的尺度下，具有不同的力学性能和破坏机理。在宏观尺度分析上，碳基复合材料的建模比细观上扩大了一个尺度，碳基复合材料可以看作是均匀的各项异性材料，忽略纤维和基体之间的区别。通常是利用多尺度方法，如均匀化方法、Mori-Tanaka方法及通用单胞模型法等，通过不同尺度上的联系从较低一级尺度上推导出有效