《三維編織SiC/SiC複合材料高溫力學行為試驗與模擬研究》是依託北京航空航天大學，由石多奇擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：三維編織SiC/SiC複合材料高溫力學行為試驗與模擬研究
- 依託單位：北京航空航天大學
- 項目負責人：石多奇
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
發展先進高性能航空發動機是我國重大戰略需求之一。三維編織SiC/SiC陶瓷基複合材料是熱端部件的主要候選材料。本項目擬建立一套動態高溫力學實驗平台，開展三維編織SiC/SiC陶瓷基複合材料高溫粘彈性、蠕變、疲勞行為與損傷機理研究。內容包括高溫粘彈行、非線性損傷與應力應變及高溫蠕變變形行為與建模、服役應力/溫度組合條件下高溫持久強度－壽命行為與評價技術、考慮組分性能退化的高溫低循環疲勞行為與壽命預測模型、以強度和壽命為目標的編織高溫結構最佳化設計等與發動機熱端部件耐久性相關的基礎實驗和理論研究，科學地衡量在發動機高溫循環載荷下熱端編織材料的力學行為、損傷演化和失效機理、持久強度等耐久性問題。本項目的實施可促進三維編織SiC/SiC陶瓷基複合材料高溫力學行為的研究，加強編織高溫結構的設計、性能控制和最佳化，推動SiC/SiC複合材料早日套用與先進航空發動機設計和製造，提高航空動力裝備水平。
結題摘要
陶瓷基複合材料（Ceramic Matrix Composite，CMCs）是未來先進航空發動機熱端關鍵結構的主要材料。CMCs套用於發動機熱端部件，需要在整機-部件-模擬件-試樣級別進行大量的試驗驗證和理論分析，確保其在發動機工作環境和服役周期內的持續承載能力，並且不能發生災難性破壞。因此有必要開展針對性的材料力學性能的研究，為結構載荷分析、強度校核及壽命預測提供支持。 本項目通過試驗、理論和有限元模擬分析，對國產新型三維編織陶瓷基複合材料高溫力學行為開展了深入研究。建立了針對陶瓷基複合材料高溫力學行為研究的試驗測試系統，能開展最高溫度1300oC的大氣有氧環境下CMCs材料長時間高溫力學行為試驗研究。在此基礎上，開展了三維編織SiC/SiC材料主方向的高溫拉伸、蠕變和疲勞試驗，較為系統地獲得了該材料的高溫力學性能數據。通過開展1100oC和1300oC的拉伸和蠕變試驗，揭示了不同溫度下材料變形行為的差異。建立了3D SiC/SiC高溫變形微觀力學模型，利用纖維和基體蠕變參數獲得了3D-SiC/SiC的巨觀蠕變變形曲線，揭示了不同溫度、不同應力狀態對該材料高溫變形行為的影響機制。系統深入地揭示了3D SiC/SiC在1100oC至1300oC的高溫破壞機理，揭示了多尺度微結構演變對巨觀失效行為的影響並建立了基於微觀參數的強度模型，準確預測了3D-SiC/SiC高溫拉伸強度；建立了耦合材料損傷演化和纖維強度退化的壽命分析模型，獲得了壽命與應力的關係。建立和發展了微觀-細觀-巨觀的多尺度3D-SiC/SiC本構模型。建立了分別用於剛度預報和強度模擬的細觀模型，利用均勻化方法獲得了材料的巨觀各向異性的剛度矩陣、拉伸曲線和拉伸強度，研究了編織參數對剛度、熱膨脹係數的影響；揭示了複雜載荷下不同尺度的損傷內在演化規律和對巨觀力學性能退化的定量影響。
