多尺度疲劳损伤预测，3D编织SiC/SiC复合材料的界面行为新视角！

【研究背景】

陶瓷基复合材料（CMC）是一种轻质、高性能的结构复合材料，因其优异的高温性能而被广泛应用于高温领域，如航空发动机。与传统的高温合金材料相比，CMC具有更高的耐高温性能和更轻的重量，因此在高温部件的应用中具有显著的优势。然而，CMC材料在使用过程中仍然存在疲劳失效等问题，这对其在关键航空发动机部件中的应用带来了挑战。

近日，来自太行实验室研究机构的Jiangbo Han等人在CMC材料的研究中取得了新进展。该团队针对3D编织SiC/SiC复合材料在循环载荷下的疲劳损伤行为，进行了深入的研究，并提出了一种新方法。研究人员利用分子动力学（MD）方法获得了SiC/SiC复合材料界面的真实粘聚区模型（CZM），并构建了包含界面、纱线和基体的3D编织结构代表性体积单元（RVE）。通过使用循环粘聚区模型（CCZM）来描述复杂应力状态下的疲劳损伤演化行为，成功预测了3D编织SiC/SiC复合材料的疲劳寿命。

利用这一新方法，该团队显著提高了SiC/SiC复合材料的疲劳寿命预测精度，并通过与实验数据的比较，验证了模型的准确性和可靠性。研究表明，界面的疲劳损伤行为是影响SiC/SiC复合材料疲劳寿命的关键因素，新方法有效地解决了传统疲劳寿命预测方法过于理想化或实验方法成本高昂的难题，为未来高温复合材料在航空发动机等关键领域的应用提供了新的思路和理论依据。

【科学亮点】

1. 首次采用分子动力学（MD）方法捕捉SiC/SiC复合材料界面的真实循环粘聚区模型（CZM）， 构建了包含界面、纱线和基体的3D编织结构代表性体积单元（RVE），这为准确描述3D编织SiC/SiC复合材料在复杂应力和循环加载下的疲劳损伤行为奠定了基础。

2. 实验通过循环粘聚区模型（CCZM）和疲劳渐进损伤规律，分析了3D编织SiC/SiC复合材料的界面、纱线和基体的损伤演化行为， 发现界面在超过比例极限应力（PLS）时对疲劳寿命影响显著。研究揭示了在循环加载过程中，界面的损伤演化机制对纱线强度和复合材料整体疲劳性能的关键作用。

3. 研究结果表明，采用真实CZM和RVE模型进行的数值模拟能有效预测3D编织SiC/SiC复合材料的疲劳寿命， 并且与实验结果吻合度高。这一方法弥补了传统理论方法过于理想化和实验方法成本高、研究对象单一的不足，为未来的疲劳寿命预测和材料设计提供了更为精确和高效的技术手段。

4. 文章进一步讨论了如何通过改进界面特性，优化3D编织SiC/SiC复合材料的疲劳寿命， 提出了潜在的工程应用方向，如在航空发动机高温部件中的应用，从而推动了高温结构复合材料的研究和发展。

【科学启迪】

本文深化了对3D编织SiC/SiC复合材料在高温领域疲劳损伤机理的理解，为航空发动机关键部件的设计和优化提供了新的思路。首先，研究表明界面损伤在复合材料的疲劳断裂中起着关键作用，这为后续研究如何通过调控界面特性来提高材料的疲劳寿命提供了重要方向。其次，本文通过分子动力学方法获得了真实的粘聚区模型（CZM），并将其与循环粘聚区模型（CCZM）相结合，成功模拟了复杂应力状态下复合材料的疲劳损伤演化过程。这种方法克服了传统理论模型和实验方法的局限性，显著提高了疲劳寿命预测的精度和效率。最后，研究成果不仅验证了所建立模型的可靠性，也为未来开发更高性能、更长寿命的CMC材料提供了有力的理论支持和技术储备。因此，本文的研究对推进先进复合材料在高温高应力环境中的应用具有重要意义。

参考文献：https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2024.118447" target="_blank">https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2024.118447