缠绕式SiC纤维/SiC复合管的周向拉伸损伤：一种由缠绕角度驱动的多尺度结构失效映射方法

《COMPOSITE STRUCTURES》：Circumferential tensile damage of filament-wound SiC f/SiC composite tubes: a multiscale structure-failure mapping driven by winding angle

本研究系统探究了纤维缠绕角度对SiCf/SiC陶瓷基复合材料管周向拉伸性能的影响，通过实验与多尺度模拟结合，揭示了55°缠绕角最优，并建立了结构-失效关联模型。

　　

朱天奇|戴玉峰|赵刚|李秀伦|沈亮亮|徐健|杨宇

西北农林科技大学机械与电子工程学院，中国杨陵712100

摘要

碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料（SiC_f/SiC CMC）管中，由于纤维缠绕形成的复杂三维结构，在环向拉伸载荷作用下表现出明显的角度依赖性力学响应，但其背后的结构-失效关系尚未得到充分理解。本研究采用多尺度实验和数值模拟方法，系统研究了三种典型缠绕角度（35°、55°和75°）的SiC_f/SiC复合管。环向拉伸试验结果表明，材料的力学性能与缠绕角度存在非单调依赖性：55°缠绕角度下的管材环向强度分别比35°和75°角度的管材高出约12%和57%，同时其最大失效应变也最大，表明该角度具有更好的载荷传递效率和损伤容忍度。为阐明这一现象，我们开发了包含真实纱线轨迹的有限元模型，并结合了三维Hashin失效准则（用于纱线）和脆性断裂模型（用于基体）。仿真结果显示，缠绕角度显著影响应力重分布和损伤演变过程。在55°缠绕角度下，纤维的协同拔出、界面滑移以及基体裂纹偏转促进了能量的有效耗散，延缓了失效；而在35°缠绕角度下，基体控制的裂纹偏转占主导地位；75°缠绕角度下则出现严重的应力集中，导致以纤维断裂为主。这些结果建立了基于缠绕角度的结构-失效映射关系，为优化环向拉伸载荷下的纤维缠绕复合管结构提供了设计指导。

引言

连续碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料（SiC_f/SiC CMC）不仅保持了单块碳化硅陶瓷优异的高温力学性能、抗氧化性和耐腐蚀性，还有效克服了其固有的脆性和低断裂韧性。因此，SiC_f/SiC CMC具有较高的比强度、优异的损伤容忍度和一定的抗冲击性[1]、[2]、[3]。这使得SiC_f/SiC CMC成为下一代压水反应堆和先进反应堆概念中核燃料包壳材料的有力候选者[4]、[5]。在反应堆运行过程中，裂变气体的不断积聚会导致包壳内部压力显著增加，引发环向膨胀和裂纹。在高温、辐照和热机械耦合的极端服役环境下，这一过程变得更加复杂[6]。特别是通过纤维缠绕、前驱体渗透和热解致密化等多步骤制造的SiC_f/SiC CMC包壳管，其纤维呈多方向缠绕并受曲面几何形状约束，形成了复杂的三维增强骨架。因此，难以预测其在环向拉伸载荷下的实际承载能力和损伤演变机制，这限制了这些材料在核工程中的应用[7]。

近年来，多项研究探讨了SiC_f/SiC CMC包壳管的环向力学行为。Yu等人[8]研究了试样尺寸对环向拉伸断裂行为和强度的影响，发现当试样宽度超过5毫米时，环向强度随宽度增加而降低，裂纹倾向于在加载销接触区域附近产生。Kim等人[9]研究了由内层SiC层、SiC_f/SiC复合层和外层SiC层组成的三层结构，发现纤维体积分数的增加提高了环向拉伸强度。Xu等人[10]关注了热冲击循环后的环向拉伸行为，观察到随着热冲击循环次数的增加，材料从脆性断裂转变为准韧性断裂，并伴有残余强度的显著下降。尽管这些研究从试样几何形状、层状结构和热冲击效应等方面提供了宝贵见解，但应强调的是，在空间缠绕结构中，纤维缠绕角度是决定纤维、基体和界面之间载荷分配以及最终失效形态的关键参数[11]、[12]。以往对三维缠绕复合管的研究表明，缠绕角度显著影响应力-应变响应、极限强度和断裂形态[13]，然而专门针对核级SiC_f/SiC CMC包壳管对缠绕角度敏感性的系统研究仍较为匮乏。

为了更深入地理解SiC_f/SiC CMC的多尺度损伤演变过程，多尺度有限元建模已成为一种日益重要的研究方法[14]。通过整合微观、介观和宏观尺度建模，可以更清晰地阐明纤维、基体和界面在不同载荷路径下的协同承载和损伤机制。Shojaei[15]基于微观力学开发了一种用于陶瓷基复合材料的多尺度有限元框架，实现了从介观结构到宏观响应的一致预测。然而，传统的有限元方法往往无法准确再现复杂编织或缠绕结构的真实空间路径，这促使人们采用数值重构技术。Feng等人[16]利用工艺控制方程和节点空间轨迹重构了SiC_f/SiC环向缠绕包壳管的真实三维纱线结构，并通过嵌入式约束实现了全局建模。Tang[17]基于最小势能原理优化了三维纱线路径，捕捉了缠绕过程中的纱线重叠和转向效应，并结合有限元方法模拟了SiC_f/SiC复合管的虚拟载荷。尽管取得了这些进展，大多数研究仍集中在结构重构或整体刚度和强度预测上，而将局部纱线-基体损伤行为与核包壳管宏观失效模式联系起来的系统多尺度研究仍较为有限。

同时，关于陶瓷基复合材料非线性力学行为和损伤建模的理论基础也已较为完善。Nagaraja等人[18]提出了一种基于剪切滞后理论的概率渐进损伤模型，考虑了基体裂纹、界面脱粘和纤维断裂。Li等人[19]将Budiansky–Hutchinson–Evans剪切滞后模型与统计基体裂纹模型、界面脱粘准则和统计纤维断裂模型相结合，描述了单向C/SiC复合材料在拉伸载荷下的损伤演变和本构行为。对于管状结构，Chen等人[20]基于等效能量原理开发了统一的环向压缩响应模型。然而，现有的损伤模型通常针对单向或均质化结构，难以同时捕捉实际空间缠绕结构中纱线和基体的差异化承载和失效行为。因此，尽管在实验、数值和理论方面付出了大量努力，但对于纤维缠绕角度如何影响SiC_f/SiC CMC包壳管的环向承载性能和损伤演变过程的系统理解仍存在不足——尤其是那些能够相互验证宏观拉伸响应、微观纤维/基体损伤形态和多尺度数值模拟的研究。

尽管通过宏观实验、介观建模和理论分析对SiC_f/SiC及相关CMC管结构的力学性能和损伤行为进行了大量研究，但对于不同缠绕角度对包壳管环向承载性能和损伤演变影响的系统理解仍不够充分，尤其是在将宏观环向应力响应与微观纤维/基体损伤形态和多尺度数值模型相互验证的研究中。因此，本研究系统研究了纤维缠绕角度对纤维缠绕SiC_f/SiC复合管环向损伤行为的影响。我们假设纤维缠绕角度显著影响SiC_f/SiC复合管的多尺度损伤演变过程，尤其是在纤维-基体相互作用方面，不同的缠绕角度会导致不同的失效模式，从而影响材料的整体力学性能。针对三种典型缠绕角度（35°、55°和75°），我们进行了环向拉伸实验并结合扫描电子显微镜观察，以表征角度依赖的力学响应和损伤特征。此外，还通过数值重构真实纱线轨迹和多尺度有限元建模来模拟环向拉伸载荷下的纱线-基体损伤演变。通过将实验观察与数值分析相结合，建立了一个基于结构关联的框架，将缠绕角度、载荷传递行为和损伤演变联系起来。该框架阐明了缠绕角度驱动的失效机制，并为优化受压力诱导的环向载荷下的纤维缠绕复合管结构提供了设计指导。

实验样品和程序

在工程实践中，纤维缠绕复合结构的缠绕角度通常介于30°至80°之间，因为这一范围在轴向和环向力学性能之间提供了合理的平衡，同时也有利于制造过程中的稳定纤维缠绕[21]、[22]。为了系统研究纤维取向对SiC_f/SiC复合包壳管环向力学行为和损伤演变特性的影响

SiC_f/SiC CMC包壳管的数值建模

SiC_f/SiC CMC包壳管的纤维缠绕结构具有明显的三维复杂性。然而，其周期性几何特性使得可以构建代表性的介观单元格来研究纤维束与基体之间的损伤演变。使用Digimat和SolidWorks建立了三种缠绕角度（35°、55°和75°）的介观单元格模型，如图2(a)所示。每个单元格包含多根嵌入的SiC纱线

实验结果和损伤形态

图3展示了在不同纤维缠绕角度（35°、55°、75°）下，SiC_f/SiC CMC包壳管在环向拉伸载荷下的应力-应变响应、力学性能统计结果以及相应的宏观和微观损伤形态。总体而言，材料的环向拉伸性能随纤维缠绕角度的变化呈现非单调变化，先增加后减小。缠绕角度为55°的包壳管表现出最佳性能

结论

本研究通过实验测试、多尺度数值模拟和损伤分析，系统研究了不同纤维缠绕角度（35°、55°、75°）下SiC_f/SiC CMC包壳管的环向拉伸行为。主要发现包括：

(1)
纤维缠绕角度显著影响SiC_f/SiC CMC包壳管的力学性能、损伤演变和失效模式。35°角度的样品由于纤维承载能力有限，表现出较低的强度和失效应变

作者贡献声明

朱天奇：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿。 戴玉峰：形式分析，数据整理。 赵刚：软件支持。 李秀伦：验证。 沈亮亮：概念构思。 徐健：资金获取。 杨宇：资金获取，概念构思。

利益冲突声明

本手稿的提交不存在利益冲突，所有作者均同意发表。我们代表共同作者声明，所描述的工作是原创性研究，尚未在其他地方以全部或部分形式发表。

致谢

本研究得到了中国教育部“基础与交叉学科突破”计划（项目编号：JYB2025XDXM414）、国家自然科学基金（项目编号：U2570230）、国家重点研发计划（项目编号：2024YFB3712804）以及中央高校基本科研业务费（项目编号：DUT22LAB605）的支持