考虑三角区结构特征的PIP-C/SiC复合材料T形梁拉脱载荷下损伤演化与失效机制

《Materials Today Communications》：Damage and Failure Mechanisms of PIP-C/SiC Composite T-beams Considering Structural Features of the Triangular Region

　　

高超声速飞行器在服役过程中面临的极端气动热环境对结构设计提出了严峻挑战。碳纤维增强碳化硅（C/SiC）复合材料凭借其在高温条件下的优异性能，适用于此类飞行器的高温结构应用。尽管C/SiC复合材料T形梁广泛用于热结构，但其失效机制仍认识不足。该研究通过试验与数值分析相结合，研究PIP（前驱体浸渗裂解）制备的平纹编织C/SiC复合材料T形梁在拉脱载荷下的典型失效行为与损伤演化。试验结果表明，在拉脱载荷下，C/SiC复合材料T形梁结构的极限载荷为1.91 kN，主导失效模式为三角区分层。失效归因于复合材料较弱的层间性能所引起的基体失效。采用数字图像相关（DIC）捕获加载过程中的表面应变演化，并在试验后采用CT（计算机断层扫描）和SEM（扫描电子显微镜）表征内部损伤与断口形貌。建立集成基于应变的三维Hashin准则与内聚区模型（CZM）的渐进损伤模型以模拟损伤过程。仿真揭示了表面观察无法获得的沿厚度方向内部层间分层扩展，并给出了驱动分层的应力分布。该研究为评估C/SiC复合材料T形梁结构性能提供了基础。

研究背景：高超声速飞行器服役时面临极端气动热环境，对结构设计提出严峻挑战。碳纤维增强碳化硅（C/SiC）复合材料具有低密度、高比强度和热稳定性好等优点，适用于此类飞行器高温结构。C/SiC复合材料T形梁常作为主承力结构传递正交载荷，但其失效机制仍认识不足。已有T形接头研究多集中于树脂基复合材料，提供了可迁移的试验与数值方法；C/SiC T形接头研究较少，已有CVI制备I形梁切片三角区未填充且存在制备孔隙，或铆接T形接头因紧固孔引入应力集中且失效由蒙皮-筋条粘接控制，均不同于整体式、三角区SiC填充且厚度方向缝合的PIP（前驱体浸渗裂解）制备T形梁。因此，该研究针对该结构在拉脱载荷下的典型失效行为与损伤演化开展试验与数值分析，以确定性能边界和失效模式，并为C/SiC T形梁结构性能评估及设计与工艺优化提供依据。该研究通过平纹编织C/SiC T形梁试样的准静态拉脱试验和渐进损伤模拟，得到平均极限载荷1.91 kN，主导失效为三角区分层，源于较弱的层间性能导致基体失效；建立的模型可再现三阶段响应，揭示内部沿厚度方向的分层及驱动应力，为结构性能评估提供基础。

关键技术方法：研究所用试样为PIP制备的C/SiC复合材料T形梁，L板与底板为C/SiC，三角区由SiC基体填充，预制体采用T300 1K碳纤维0°/90°铺层并以T300 1K单股碳纤维沿宽度方向缝合（行距、针距均为6 mm）。开展准静态拉脱试验（50 N预载、0.5 mm/min），以工业相机记录表面裂纹，采用二维数字图像相关（2D-DIC）测量表面应变；试验后用光学/CCD显微镜、CT（计算机断层扫描）和SEM（扫描电子显微镜）表征内部损伤与断口。建立Abaqus/Explicit三维渐进损伤有限元模型，层合板用C3D8R单元，界面插入零厚度COH3D8内聚单元，VUMAT（用户定义材料子程序）实现基于应变的三维Hashin准则，界面采用双线性内聚区模型（CZM）和B-K准则。

研究结果：3.1 准静态拉脱试验的力学响应。通过载荷-位移曲线、工业相机与三件重复试验，响应分初始加载、损伤和失效三阶段，A、D为边界；OA段斜率渐降，AB段在两L板腹板间三角区上方出现初始裂纹，BD段呈平台，BC段裂纹进入L板半径区，C后进入底板，D后载荷骤降，E后仅保留有限残余承载。平均极限载荷1.91 kN，失效位移4.66 mm，失效载荷均值1.22 kN；初始损伤与峰值载荷变异系数（CV）为10.6%和7.7%，失效位移CV为4.4%。试验1首裂纹近垂直位于三角区上方约11 mm并伴随首次降载，试验2裂纹位于三角区右上角半径区约4 mm，试验2和3无显著降载而斜率渐降；早期刚度渐降归因于低应力基体开裂，曲线差异归因于制造工艺造成的材料性能变化。

3.2 T形梁损伤演化过程行为。通过载荷-位移曲线、相机、DIC与仿真，A点三角区上部起裂，裂纹向L板腹板与三角区右侧间隙扩展后载荷稳定，继而沿三角区两侧扩展至底板与L板界面，变形压缩引起纤维-基体失效和承载下降；平台后期L板半径区发生分层。DIC显示A前水平线应变（e_xx）集中，B时向腹板和三角区扩展，右侧及三角区底部竖直线应变（e_yy）集中，C时竖向劈裂使裂纹向底板扩展，D时底板竖向应变集中并预示E点弯曲失效；面内剪切应变（e_xy）集中始终位于左右L板半径区并驱动三角区裂纹。仿真三阶段响应与试验一致，峰值载荷2.06 kN较试验均值1.91 kN误差7.85%，峰值位移4.29 mm较均值3.29 mm误差30.4%，但与试验1的4.21 mm仅差1.86%；复现分层自三角区上角沿界面下扩展再进入L板半径区，并揭示沿厚度方向内部非均匀分层。S₃₃（厚度方向正应力）为三角区上角剥离应力，驱动I型张开起裂；S₂₃（层间剪切应力）驱动II型滑动扩展；S₂₂显示半径区外侧受拉、内侧受压及底板上拉下压的弯曲主导应力状态，预示底板最终弯曲失效。

3.3 准静态拉脱试验的失效模式。通过光学显微、CT和SEM三尺度表征，宏观主裂纹自三角区上角起始并沿层合板/三角区界面下扩展，前后表面均可见；L板半径区存在层间分层，底板存在局部失效。CT三维重建显示半径区界面完全分层并贯穿厚度，另有多个层间分层；切片显示缝合线在半径区约束分层，主裂纹在缝合线附近局部偏转后继续沿界面扩展。SEM显示分层区大量基体断裂而纤维束基本完整，高倍下纤维表面洁净、基体残留少，说明分层沿基体扩展而非沿纤维-基体结合区，为基体主导分层；底板弯曲区为混合断裂，主导微模式为纤维弯曲剪切失效和纤维-基体脱粘，并见纵向纤维平断、横向纤维拔出和界面脱粘；脱粘归因于PIP反复升降温中碳纤维与SiC基体热膨胀系数不匹配产生的残余热应力弱化界面。

讨论总结：讨论表明，层合板与三角区界面的层间性能对T形梁承载能力起主导作用；三角区完全分层后载荷转由底板承担，底板弯曲损伤造成承载骤降并仅保留有限残余能力；厚度方向缝合线可偏转或阻止裂纹；数值模型可补充表面观察无法获得的厚度方向分层信息。

研究结论翻译：（1）T形梁在拉脱载荷下的力学响应可分为三阶段：斜率逐渐降低的初始加载阶段、界面分层扩展的损伤阶段以及最终失效阶段；平均极限载荷为1.91 kN；层合板与三角区界面的层间性能对承载能力起主导影响。（2）损伤演化主要为C/SiC复合材料层合板与三角区SiC基体界面分层；三角区完全分层后，底板承担承载角色。SEM检查两个失效区揭示不同微观机制：三角区分层区以基体断裂为主要断口特征，底层纤维束基本完整，表明为基体主导分层；底板弯曲区以纤维弯曲剪切失效和纤维-基体脱粘为主，造成承载能力大幅损失，仅保留有限残余承载能力。厚度方向缝合线通过偏转或阻止裂纹来阻碍分层扩展。（3）建立了集成基于应变的三维Hashin准则与内聚区模型的T形梁渐进损伤模型，捕捉了三阶段载荷-位移响应和分层过程；仿真进一步揭示，C/SiC层合板与SiC三角区界面的厚度方向正应力（S₃₃）和面外剪切应力（S₂₃）是驱动分层起裂和扩展的主导应力分量。