近日,航空航天系费庆国教授团队在陶瓷基复合材料高温强度研究领域取得重要进展,相关成果以“Transition of failure mechanism of 2D-C/SiC under on-axis and off-axis load considering temperature effects”为题在陶瓷研究领域TOP期刊《Ceramics International》上发表。
二维编织C/SiC复合材料凭借优异的机械性能和良好的高温稳定性,是制造高速飞行器热端结构的理想材料。目前,高速飞行器正朝着更高马赫数、更大飞行空域以及可重复使用的方向发展,同时给C/SiC复合材料结构带来了更加复杂和严苛的载荷环境。现有的研究多聚焦于C/SiC复合材料单轴加载工况下的失效行为和机理,对于高温以及多轴载荷耦合作用下的C/SiC失效行为及其内在机理尚不清晰。
该研究主要针对CVI工艺制备的2D-C/SiC复合材料展开,通过开展不同温度下的正轴和偏轴拉伸试验,探究2D-C/SiC复合材料在偏轴加载、高温和氧化多因素影响下失效机理的演化。研究结果表明,对于正轴拉伸工况,2D-C/SiC的失效行为由纤维断裂和界面脱粘主导,高温和氧化会显著影响碳纤维和热解碳界面的性能表现,进行导致高温下2D-C/SiC的正轴拉伸强度显著降低。而当偏轴加载时,由于剪切应力的引入,由拉剪耦合效应引起的基体剪切破坏成为2D-C/SiC的主要失效形式,该加载工况下材料的失效行为受高温和氧化的影响较小,且在基体热强化效应的作用下导致高温下偏轴拉伸强度略有升高。本研究结合微观表征和理论分析,揭示了材料在高温和偏轴耦合作用下的损伤演化机理,为2D-C/SiC复合材料在高速飞行器的设计和安全评估提供了理论支撑。
论文的第一作者为航空航天系博士生吴军,通讯作者为费庆国教授,研究工作得到了国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金、江苏省科研创新计划等项目资助。
论文链接:https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2025.01.131