背景简介

        纤维增强陶瓷基复合材料由于具有优异的耐高温性、力学性能、化学稳定性等综合性能，被广泛应用于航空航天、车辆等工程领域。由于纤维增强复合材料的各向异性，设计、优化过程变得尤为重要，并且需要进行复杂的应力分析。纤维增强复合材料给予设计工程师较大的设计空间，可以通过调整、设计纤维编织方式、纤维体积分数等获得具有特定刚度及强度的结构，以满足不同应用的特定需求。

        2.5D编织复合材料通过经纱将相邻层纬纱进行联锁（图1），使得材料具有良好的面内及面外力学性能，得到广泛的关注与应用研究。联锁结构提高了2.5D编织复合材料的抗分层性能，但是会加剧材料的应力/应变集中和不均匀分布现象。2.5D编织复合材料表层编织结构与内部编织结构存在一定差异，这种差异对其应力/应变分布的影响不能忽略不计。采用传统的体胞元来研究2.5D编织复合材料的力学行为、损伤演化、失效破坏不尽合理，建立能够表征真实细观结构的有限元模型对定量研究2.5D编织复合材料的力学行为、力学性能是十分必要的。

图1 2.5D编织复合材料编织结构示意图

成果介绍

        建立了2.5D编织纤维增强陶瓷基复合材料薄板（厚度0.8~1毫米）试样的力学性能测试方法，结合应变片和DIC非接触式应变测量方法定量分析了试样承受拉伸载荷时的应变分布特征，并且建立了全厚度试样级胞元有限元模型进行了仿真模拟分析。主要结论如下：

        （1）2.5D编织复合材料的应变分布与细观纤维束编织结构相关，其表面应变分布具有明显的周期性和不均匀性，如图2所示；

图2 2.5D编织复合材料经向拉伸应变分布：纵向应变；横向应变

        （2）2.5D编织复合材料表面应变波动最大可达30%，随着应变计算区域的增加，平均应变偏差迅速减小（图3）；获取材料的平均应变时，有效计算区域应包含至少两个细观胞元；

图3 平均纵向应变随应变提取区域的变化

        （3）试样级胞元模型能够有效准确地模拟2.5D编织复合材料的力学响应特征（图4），纤维束的编织结构使得纤维束交叉区域产生明显的应力/应变集中，导致裂纹的萌生。

图4 经向拉伸应变分布有限元模拟：纵向应变；横向应变

衷心感谢国家自然科学基金（51772009、51911530201）的资助。

论文信息：Xuefeng Teng, Duoqi Shi*, Zhen Cheng, Xin Jing, Shuangqi Lyu, Xiaoguang Yang. Investigation on non-uniform strains of a 2.5D woven ceramic matrix composite under in-plane tensile stress[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2020, 40( 1):36-48.

（图文供稿：北京航空航天大学石多奇；网络编辑：侯志伟，费嘉文，温建锋）