对二维碳/碳化硅（2D-C/SiC）复合材料在冲击载荷下的全尺寸介观尺度建模：界面效应与随机堆叠结构的影响

《Composites Part A: Applied Science and Manufacturing》：Full-scale mesoscale modeling of 2D-C/SiC composites under impact loading: effects of interfaces and random stacking

碳纤维增强碳化硅复合材料在冲击载荷下的动态力学性能研究，通过开发3D微观模型模拟纤维束断裂、基体裂纹和界面脱粘行为，揭示编织层堆叠方式与层间孔隙分布的关联性，并量化应变率对界面剪切强度的影响。

　　

吴一帆|李涛|朱志武

中国西南交通大学力学与航空航天工程学院，先进结构材料力学行为与服务安全四川省重点实验室，成都610031

摘要

基于微观结构表征结果，开发了一个全尺寸的碳纤维增强碳化硅（C/SiC）介观模型，以研究其在冲击载荷下的力学行为。该模型考虑了纤维束与基体之间的界面特性，包括应变率依赖的粘结强度，从而准确捕捉了冲击载荷下发生的界面脱粘现象。此外，该模型成功地将编织层的堆叠配置与层间孔隙的分布相关联。通过调整每个编织层的偏移均值和方差，生成了具有不同孔隙大小和孔隙分散程度的堆叠模型。随后，研究了堆叠配置对C/SiC动态压缩性能的影响。通过将模型结果与实验结果进行比较，并分析回收试样的失效形态，验证了该模型的有效性。基于损伤过程的数值模拟、介观组分损伤的统计分析以及断裂表面的微观表征，系统研究了C/SiC在不同应变率下的介观结构响应变化。应变率从100增加到500?s^?1时，失效模式逐渐从分层转变为剪切主导的失效，并显著增加了材料损伤的程度。界面脱粘、纤维束断裂和基体开裂的比例显著增加。此外，具有较高均值偏移和较低方差编织层定位的模型表现出更好的动态力学性能。在不同应变率条件下，峰值应力增加了36.1%。

引言

由于陶瓷基复合材料（CMCs）具有高比强度、高比刚度和优异的耐热性，它们被广泛用于航空航天器件的热防护结构中，如喷嘴、鼻锥和前缘[1]，[2]。在服役过程中，这些热结构不可避免地会受到离散颗粒或碎片的冲击[3]，[4]。作为代表性的CMC，二维碳纤维增强碳化硅（2D-C/SiC）复合材料在冲击载荷下的力学行为引起了相当大的研究兴趣。

最近使用落锤冲击试验机、分离Hopkinson压力棒（SHPB）、分离Hopkinson拉伸棒和气体枪等实验装置，研究了2D-C/SiC复合材料在压缩、拉伸和剪切载荷条件下的冲击行为[5]，[6]，[7]，[8]。通过集成数字图像相关技术[9]、声发射[10]，[11]，[12]和高速摄影来重建加载过程，对2D-C/SiC的动态力学响应进行了表征。同时使用扫描电子显微镜（SEM）[13]，[14]和计算机断层扫描（CT）[15]，[16]分析了回收样品的微观结构。

与准静态载荷相比，2D-C/SiC复合材料在动态压缩载荷下的压缩强度提高了40%，失效模式从束间断裂转变为束内断裂[17]。在极端温度条件下，C/SiC的动态压缩强度降低了20%–80%，这归因于低温环境下界面强度的降低和高温环境下碳纤维的氧化加剧[18]。此外，C/SiC始终表现出明显的正应变率效应[19]，[20]，[21]，尽管其在不同载荷条件（如动态拉伸、动态剪切和离轴冲击）下的失效模式有所不同。

实验数据和微观表征结果表明，C/SiC中观察到的正应变率效应可归因于较高应变率下界面剪切强度的增强[22]，[23]，[24]，[25]，这一观点已得到广泛认可。作为复合材料的关键组成部分，界面在载荷传递和裂纹扩展中起着关键作用[26]，[27]。由于其化学兼容性和适当的热膨胀系数[28]，[29]，热解碳（PyC）被用作C/SiC中的填料，通过使用丙烯作为前驱体通过化学气相沉积方法沉积在碳纤维表面[30]。这种中等强度的界面不仅防止了脆性断裂，还确保了纤维与基体之间的有效载荷传递，从而增强了材料的纤维增强韧性效应[31]，[32]，[33]。

由于界面的关键作用，PyC界面的力学性能已成为当前研究的重点。Hong等人[34]结合了微柱压缩和半纤维拔出技术，研究了PyC界面的准静态界面脱粘剪切强度和能量吸收特性。Han等人[35]使用改进的SHPB测试了PyC界面的动态剪切强度，并根据实验结果建立了界面脱粘强度与加载率之间的相关性。然而，由于微观观察结果通常分散，界面失效后难以表征断裂形态，以及观察冲击载荷下的材料失效过程具有挑战性，因此需要进一步发展用于研究PyC界面动态力学特性的实验方法[36]，[37]。

有限元分析方法已被广泛用于进一步研究这类材料在动态载荷条件下的介观力学行为[38]，[39]，[40]。Liu等人[41]在均匀模型中引入了零厚度粘聚元素，以模拟C/SiC复合材料在冲击载荷下的界面脱粘。其他研究人员通过构建代表性体积元素[42]和纤维束模型[43]来研究C/SiC复合材料的界面脱粘特性。然而，由于在材料制备过程中难以周期性堆叠编织层，平纹CMCs通常表现出一定的结构随机性。因此，基于周期性边界条件的单元或纤维束模型往往精度有限。因此，Li等人[44]，[45]开发了一个更复杂的介观随机模型，该模型考虑了平纹复合材料的堆叠配置、纤维损伤、纤维束内的基体开裂以及孔隙率，以更有效地捕捉冲击拉伸下的力学响应。然而，由于计算成本较高，尚未有研究使用此类介观模型研究PyC界面对材料整体动态力学性能的影响。此外，Kang等人[46]使用CT扫描获得了C/SiC复合材料的三维（3D）重建图像。他们报告称，尽管材料内部结构非常复杂，但层间孔隙的分布模式与编织层的堆叠配置密切相关[46]。此外，这些层间空隙附近的材料倾向于在早期发生基体开裂和界面脱粘，最终导致材料整体失效[43]。然而，很少有研究基于编织层的堆叠配置来预测C/SiC复合材料的动态力学响应[46]，[47]；因此，尚未开发出能够准确再现实际孔隙分布模式的介观模型。

本研究基于材料的微观表征结果，开发了一个全尺寸的3D C/SiC介观模型。该模型考虑了纤维损伤、基体开裂、界面脱粘和孔隙分布等关键因素。该模型成功模拟了材料在冲击载荷下的失效过程和界面开裂行为，从而能够全面研究动态压缩强度、失效模式和界面力学响应之间的关系。通过结合动态压缩试验和对回收试样的微观结构分析，验证了数值模拟的准确性。基于SEM表征，研究了纤维束内的失效形态。此外，该模型捕捉了编织层堆叠配置与孔隙分布模式之间的相关性，从而可以预测不同随机堆叠结构在冲击载荷下的动态力学行为和失效模式的变化。这些发现为材料设计和优化提供了宝贵的见解。

实验部分

实验

如图1所示，使用直径为14.5毫米的SHPB系统进行了冲击压缩试验。该系统主要包括弹丸、入射杆、传递杆、吸收杆和数据采集及记录单元。弹丸和杆材采用马氏体钢制成。在杆材的中点附近安装了应变计以捕获应变信号。为了解决恒定界面弹丸冲击可能产生矩形入射的问题

数值模拟

本研究中使用的C/SiC复合材料的密度、孔隙率、平均编织层厚度和SiC基体厚度分别为2.05?g/cm³、约16%、0.16?mm和30–50?μm。如图2(a)所示，根据微观表征结果确定了纤维束的截面几何尺寸。然后使用扫描方法根据实际弯曲路径构建了纤维束模型

损伤过程和失效机制

图5显示了在不同应变率下三次重复实验和数值模拟得到的C/SiC的应力-应变曲线。实验结果与模拟结果之间的峰值应力差异小于4.6%。实验中材料制备过程中引入的初始微裂纹导致初始加载阶段发生了压实现象，使得实验测得的失效应变通常高于数值模拟得到的应变

结论

本研究开发了一个全尺寸介观模型，用于研究C/SiC复合材料在冲击压缩载荷下的动态力学响应。该模型考虑了编织层堆叠模式与层间孔隙率之间的关系，并准确再现了材料的实际孔隙分布特性。该模型还考虑了纤维束与基体之间界面强度的应变率依赖变化。

CRediT作者贡献声明

吴一帆：撰写——原始草稿、验证、软件、方法论、研究、正式分析、数据管理、概念化。李涛：撰写——审阅与编辑、监督、资源管理、项目管理、方法论、研究、资金获取、正式分析。朱志武：撰写——审阅与编辑、监督、资源管理、项目管理、方法论、研究、资金获取、正式分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：12572443和12272328）、四川省自然科学基金（项目编号：2025ZNSFSC0095）以及高端装备先进材料与制造技术实验室启动基金（项目编号：2023KFKT0010）的支持。

术语表

2D-C/SiC

二维碳纤维增强碳化硅

CMC

陶瓷基复合材料

SHPB

分离Hopkinson压力棒

SEM

扫描电子显微镜

CT

计算机断层扫描

PyC

热解碳

3D

三维

IDR

界面脱粘率