二维碳/碳化硅复合材料(2D-C/SiC)动态拉伸本构关系研究：应变率效应与损伤演化机制

《Frontiers in Materials》：Study on dynamic constitutive relationship of 2D-C/SiC composite materials

本研究针对航空航天热防护系统与发动机部件在极端动态载荷下的可靠性需求，通过开展2D-C/SiC复合材料宽应变率范围（1×10?3~3×102s?1）拉伸实验，结合宏观损伤本构模型构建，揭示了其拉伸强度、弹性模量随应变率提升而增强、失效应变降低的规律，建立了应变-应变率耦合的损伤演化方程，为复合材料动态力学设计与安全评估提供了理论支撑。

　　

在航空航天、高推重比发动机等极端服役环境中，部件不仅要承受持续的热载荷，还可能遭遇鸟撞、碎片冲击等高速冲击事件。在这些动态拉伸条件下，材料的力学响应与失效行为对结构可靠性至关重要。二维碳纤维平纹织物增强碳化硅基复合材料（2D-C/SiC）因其低比重、耐高温、抗氧化稳定性好、比强度高等优势，成为理想材料。然而，现有的宏观本构模型多侧重于静态或高温条件，在应变率相关的拉伸载荷方面存在不足，且往往未能纳入应变率效应与损伤累积的耦合演化，这限制了模型在宽动态范围内的预测能力。

为了突破这些局限，本研究发表在《Frontiers in Materials》上，旨在构建一个专门针对2D-C/SiC在动态拉伸下的宏观损伤本构模型。与复杂的微观方法不同，该模型采用连续介质力学框架，引入了受应变和应变率影响的损伤变量，通过嵌入率敏感项并与多加载速率下的实验数据关联，捕捉了损伤与率效应的耦合演化。

研究人员主要运用了以下关键技术方法：采用T300碳纤维制备二维纤维预制体，通过低压化学气相渗透工艺在预制体上沉积热解碳界面相和SiC基体；将材料加工成标准狗骨状试样，利用电子万能试验机和分离式霍普金森压杆系统，在20°C下对2D-C/SiC试样进行了应变率范围从1×10^?3到3×10²s^?1的动态拉伸试验；通过应力非均匀性分析验证了动态测试中试样的应力均匀性假设；基于连续损伤力学理论，建立了包含应变率硬化与损伤软化的宏观统计损伤本构模型，并利用实验数据对模型参数进行了拟合与验证。

研究结果

1. 动态拉伸力学响应

在不同应变率下获得的真实应力-应变曲线表明，随着应变率的提高，材料的拉伸强度增加，失效应变减小，弹性模量显著上升，但拉伸强度的增强相对有限，表明材料仅表现出较弱的应变率敏感性。

2. 弹性模量的率相关性

弹性模量与对数应变率之间存在接近线性的关系，拟合得到关系式为E_d= E_s+ A ln(ε?/ε?₀)，其中E_s为60×10³MPa，A为4.8。

3. 损伤演化参数n的率依赖性

损伤演化方程中的形状参数n与对数应变率呈特定函数关系，拟合得到n = a₁+ a₂exp[-ln(ε?/ε?₀)/a₃]，其中a₁= -6.9，a₂= 20.7，a₃= 6.7。

4. 本构模型建立与验证

基于宏观损伤力学，构建了2D-C/SiC在一维冲击压缩下的损伤动态本构方程。该模型方程组包含了应力公式、损伤变量D公式、动态弹性模量E_d公式和参数n公式。模型预测曲线与三个不同应变率（1×10^?3s^-1、20 s^-1、300 s^-1）下的实验数据均吻合良好，证明了模型具有较强的预测精度和实际适用性。

5. 参数敏感性分析

对模型关键参数应变率敏感性指数m和应变率强化系数A进行了单因素敏感性分析。结果表明，m值越大，应变率敏感性效应越强，真实应力越高，且在高应变率下m的影响更为显著；系数A通过影响动态弹性模量E_d产生作用，但整体影响相对较小。该分析结果为模型参数标定、实验方案优化和工程结构设计提供了重要参考。

结论与讨论

本研究采用宏观损伤本构模型，成功拟合了2D-C/SiC在20°C、应变率范围1×10^?3至300 s^-1下的动态拉伸行为，并得出以下核心结论：首先，2D-C/SiC表现出明显的应变率强化效应，其极限拉伸强度、弹性模量随应变率升高而增加，而失效应变则降低。其次，材料的弹性模量在整个测试范围内与对数应变率呈近线性关系。最后，所发展的本构模型包含了同时依赖于应变和应变率的宏观损伤变量，其预测结果与实验数据高度一致，验证了模型的有效性和适用性。

该研究的显著意义在于，所提出的本构模型有效地捕捉了复合材料在不同加载条件下的失效演化过程，为2D-C/SiC复合材料在动态载荷下的工程应用和安全评估提供了理论基础。相较于复杂的微观模型，该宏观模型兼具简洁性与计算效率，更适用于航空航天结构在极端载荷条件下的动态力学行为模拟。研究成果明晰了加载速率是控制2D-C/SiC复合材料渐进失效机制的关键因素，对推动此类高性能陶瓷基复合材料在苛刻环境下的可靠应用具有重要价值。