近日，我院航空航天系费庆国教授团队联合北京临近空间飞行器系统工程研究所，在耐高温陶瓷基复合材料的重复使用性能评价与性能演化机理方面开展攻关，并取得重要进展，在疲劳领域顶刊《International Journal of Fatigue》上发表了题为“Thermo-mechanical coupling failure mechanisms of reusable SiCf/SiC composites with PyC interphase”的研究成果。
目前，高速飞行器的设计正朝着更高马赫数、更大飞行空域以及可重复使用的方向发展，全新的可重复使用工况导致飞行器在全飞行包线下的载荷环境变得越来越严酷，对其材料及结构的设计带来了极大的挑战。目前，针对耐高温陶瓷基复合材料的研究大多聚焦在单次、恒定载荷工况下的失效机理和评估方法等方面的研究，对于动态循环力/热这一典型的重复使用环境下的陶瓷基复合材料研究仍然不足。
该研究主要针对SiC/PyC/SiC体系下的陶瓷基复合材料开展研究，该材料采用CVI+PIP混合制备方法进行制备，其中纤维和基体之间采用热解碳（PyC）作为界面相。为了全面分析重复使用条件下该材料的性能演化过程，本研究共设计了5组试验方案，主要包括常温下的准静态拉伸试验，高温下的准静态拉伸试验，循环高温后的材料性能评价试验，动态力/热耦合循环试验及剩余性能表征试验。研究表明，重复使用条件下的SiC/PyC/SiC的承载性能下降较为明显，这主要是由于界面相材料为PyC，其在大气环境中的抗氧化性能较弱，长时高温有氧环境最终导致材料性能的快速下降，同时在叠加上循环力载荷，结构性能下降更为明显。本研究通过微观组织和组分元素分析，准确表征了材料的力-热-氧耦合的损伤演化历程，揭示材料的在循环力/热耦合载荷作用下的损伤演化机理。此外，该研究通过材料的滞回模量定义材料在服役不同时刻的损伤量，利用连续介质损伤力学的方法，构建了材料的损伤演化模型，为此类材料的寿命预示提供了理论依据。
图1. SiC/SiC复合材料的制备
图2. SiC/SiC复合材料损伤失效模式
图3. SiC/SiC复合材料的损伤模型
该论文第一作者为航空航天系至善博士后徐培飞博士，通讯作者为费庆国教授和张大海副教授，研究得到了国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金-青年科学基金项目、中国博士后科学基金等项目支持。
目前，团队轻量化研究小组以高速飞行器热结构为对象，形成结构、构件、材料三位一体的研究布局，多项研究成果发表于领域TOP期刊。主要研究成果如下：
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2024.108580
https://doi.org/10.1016/j.carbon.2023.118782
https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2024.108674