界面对陶瓷基复合材料力学性能的影响分析

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陶瓷基复合材料(CMC)具有高强度、高硬度、高弹性模量、热化学稳定性等优异性能,被认为是推重比10以上航空发动机的理想耐高温结构材料。界面作为陶瓷基复合材料重要的组成相,其细观结构、力学性能和失效规律直接影响到复合材料的整体力学性能,因此研究界面特性对陶瓷基复合材料力学性能的影响具有重要的意义。本文在总结前人工作的基础上开展了如下研究工作:(1)基于剪切滞后理论推导了无界面层和有界面层两种情况下,复合材料单元体的应力场分布,分析了两种情况下界面参数对单元体应力场的影响。结果表明,界面弹性模量、体积含量、泊松比等参数对单元体应力场分布以及界面层的应力集中具有明显的影响。(2)在有界面层单元体应力场的基础上,进一步考虑在材料制造过程中由于降温作用而导致的单元体内热残余应力的分布,分析比较了有无界面剪切作用两种情况。结果表明,除了界面层的材料参数,纤维和基体的热膨胀系数对单元体的应力场也具有明显影响。在材料设计中要想获得理想的界面强度必须综合考虑这两方面的因素。(3)在前文工作的基础上,将得到的单元体应力场与基体、界面和纤维的不同失效准则相结合,建立了模拟CMC逐渐损伤的应力应曲线,并分析了界面参数对复合材料力学性能的影响。结果表明,增加界面层弹性模量和体积含量有助于材料在弹性阶段的承载,增加界面层泊松比和界面滑移剪应力对于防止材料灾难性失效具有积极作用。
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