陶瓷基复合材料韧-脆性转变统计强度模型

doi:10.7527/S1000-6893.2025.32093

强度所60周年专刊

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陶瓷基复合材料韧-脆性转变统计强度模型

杨成鹏¹(), 贾斐², 魏景超³

^1.西北工业大学力学与交通运载工程学院，西安 710072
^2.西安电子科技大学机电工程学院，西安 710071
^3.中国飞机强度研究所强度与结构完整性全国重点实验室，西安 710065

收稿日期:2025-04-07 修回日期:2025-07-06 接受日期:2025-07-10 出版日期:2025-07-16 发布日期:2025-07-15
通讯作者: 杨成鹏 E-mail:yang@mail.nwpu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(12472142);国家自然科学基金(12072274);陕西省自然科学基金(2024JC-YBMS-308)

Statistical strength model for ceramic matrix composites in tough-to-brittle transition

Chengpeng YANG¹(), Fei JIA², Jingchao WEI³

^1.School of Mechanics and Transportation Engineering，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China
^2.School of Mechano-Electronic Engineering，Xidian University，Xi’an 710071，China
^3.National Key Laboratory of Strength and Structural Integrity，Aircraft Strength Research Institute of China，Xi’an 710065，China

Received:2025-04-07 Revised:2025-07-06 Accepted:2025-07-10 Online:2025-07-16 Published:2025-07-15
Contact: Chengpeng YANG E-mail:yang@mail.nwpu.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(12472142);Natural Science Foundation of Shaanxi Province(2024JC-YBMS-308)

摘要/Abstract

摘要：

连续纤维增强复合材料通常存在韧-脆性转变问题，其对复合材料的界面设计和整体性能评价具有重要意义。基于纤维应力场的弹性力学解答，应用剪滞理论和纤维随机断裂概率的统计分析方法，考虑纤维表面的应力集中效应，在单裂纹和多裂纹两种失效模式下，分别建立连续纤维增强陶瓷基复合材料（CMCs）的韧-脆性转变拉伸强度模型。针对2D-C/SiC复合材料的分析计算结果表明：拉伸强度对界面滑移应力敏感，随着界面滑移应力的增大，纤维应力集中效应增强，拉伸强度预测值先升高后降低；单裂纹模式下的拉伸强度预测值显著高于多裂纹模式，但两种模式下拉伸强度随界面滑移应力的变化规律相似；单裂纹模式下考虑纤维断裂拔出应力对CMCs整体承载能力的贡献时，模型预测的拉伸强度值显著提高，且随着拔出系数的增大拉伸强度持续增大。建立的模型强度预测值与文献中的试验数据吻合较好，证明了模型的合理性与准确性。

关键词: 陶瓷基复合材料, 统计强度模型, 界面脱黏, 基体开裂, 拉伸强度

Abstract:

Continuous fiber-reinforced composites usually present the problem of tough-to-brittle transition， which is of great significance for the interface design and overall performance evaluation of composites. Based on the elastic-mechanics solution of the fiber stress field， the shear-lag theory and the statistical analysis method of fiber random fracture probability， and meanwhile considering the stress concentration effect on fiber surface， a statistical tensile strength model for tough-to-brittle transition of continuous fiber-reinforced Ceramic Matrix Composites （CMCs） was established under two failure modes， namely single-crack mode and multi-crack mode. The analysis and calculation results with 2D-C/SiC composites show that the tensile strength is sensitive to the interfacial slip resistance； with the increase of interfacial slip stress， the fiber stress concentration effect is enhanced and the predicted value of the tensile strength firstly rises and then decreases. In comparison， the predicted tensile strength under the single-crack mode is significantly higher than that under the multi-crack mode， but the variation trend of the prediction with the interfacial slip stress is similar in the two modes. Under the single-crack mode， when considering the contribution of broken-fiber pullout stress to the overall load carrying capacity of CMCs， the model predicted tensile strength value is significantly higher， and the tensile strength continues to increase with the increase of the pullout coefficient. It is shown that the strength predictions of the developed model by this work are in good agreement with the experimental data in the literature， which demonstrates the rationality and accuracy of the theoretical model.

Key words: ceramic matrix composites, statistical strength model, interface debonding, matrix cracking, tensile strength

中图分类号:

V215

杨成鹏, 贾斐, 魏景超. 陶瓷基复合材料韧-脆性转变统计强度模型[J]. 航空学报, 2026, 47(2): 232093.

Chengpeng YANG, Fei JIA, Jingchao WEI. Statistical strength model for ceramic matrix composites in tough-to-brittle transition[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2026, 47(2): 232093.

图/表 9

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参考文献 28

[1]	彭苗娇，黄锦文，胡殿印，等. 航空发动机CFRP复合材料界面力学性能、损伤机理与强化策略研究进展［J］. 航空学报， 2025， 46（16）： 93-122.
	PENG M J， HUANG J W， HU D Y， et al. Research progress on interfacial mechanical properties， damage mechanisms， and reinforcement strategies of CFRP composites for aero-engines［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2025， 46（16）： 93-122 （in Chinese）.
[2]	沈轩逸，马沁，薛玉冬，等. 复合界面层对SiC_f/SiC复合材料力学损伤行为的影响［J］. 无机材料学报， 2023， 38（8）： 917-922.
	SHEN X Y， MA Q， XUE Y D， et al. Effects of multilayered interfaces on mechanical damage of SiC_f/SiC composites［J］. Journal of Inorganic Materials， 2023， 38（8）： 917-922 （in Chinese）.
[3]	赵文青，齐哲，吕晓旭，等. 界面层对CVI-mini SiC_f/SiC复合材料力学性能的影响［J］. 材料工程， 2021， 49（7）： 71-77.
	ZHAO W Q， QI Z， LYU X X， et al. Effects of interphases on mechanical properties of CVI-mini SiC_f/SiC composites［J］. Journal of Materials Engineering， 2021， 49（7）： 71-77 （in Chinese）.
[4]	王章文，张军，方国东，等. 界面层对纤维增韧陶瓷基复合材料力学性能影响的研究进展［J］. 装备环境工程， 2020， 17（1）： 77-89.
	WANG Z W， ZHANG J， FANG G D， et al. Effect of interfacial layer on mechanical properties of fiber toughened ceramic matrix composites［J］. Equipment Environmental Engineering， 2020， 17（1）： 77-89 （in Chinese）.
[5]	郑伟，王瀚寰，张佳平，等. 界面层对陶瓷基复合材料性能的影响［J］. 纤维复合材料， 2022， 39（3）： 81-86.
	ZHENG W， WANG H H， ZHANG J P， et al. Effect of interface layer on properties of ceramic matrix composites［J］. Fiber Composites， 2022， 39（3）： 81-86 （in Chinese）.
[6]	马浩林，吴晓晨，甄霞丽，等. SiC_f/SiC陶瓷基复合材料增韧机理及界面相微区性能测试方法研究进展［J］. 航空材料学报， 2024， 44（5）： 174-186.
	MA H L， WU X C， ZHEN X L， et al. Research progress on toughening mechanism and interphase property testing methods of SiC_f/SiC ceramic matrix composites［J］. Journal of Aeronautical Materials， 2024， 44（5）： 174-186 （in Chinese）.
[7]	李尧，王晓晖，刘宝瑞，等. 界面韧性对C/SiC材料拉伸强度影响分析［J］. 强度与环境， 2023， 50（5）： 19-27.
	LI Y， WANG X H， LIU B R， et al. Effects of interlayer fracture toughness on tensile strength of C/SiC composites［J］. Structure & Environment Engineering， 2023， 50（5）： 19-27 （in Chinese）.
[8]	陈智勇，刘建寿，徐颖强，等. 碳纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料界面相的研究进展［J］. 陶瓷学报， 2019， 40（6）： 701-709.
	CHEN Z Y， LIU J S， XU Y Q， et al. Research progress on the interphase of C/SiC composites［J］. Journal of Ceramics， 2019， 40（6）： 701-709 （in Chinese）.
[9]	CURTIN W A， AHN B K， TAKEDA N. Modeling brittle and tough stress-strain behavior in unidirectional ceramic matrix composites［J］. Acta Materialia， 1998， 46（10）： 3409-3420.
[10]	XIA Z， CURTIN W A. Tough-to-brittle transitions in ceramic-matrix composites with increasing interfacial shear stress［J］. Acta Materialia， 2000， 48（20）： 4879-4892.
[11]	HEREDIA F E， SPEARING S M， EVANS A G， et al. Mechanical properties of continuous-fiber-reinforced carbon matrix composites and relationships to constituent properties［J］. Journal of the American Ceramic Society， 1992， 75（11）： 3017-3025.
[12]	CURTIN W A. The “tough” to brittle transition in brittle matrix composites［J］. Journal of the Mechanics and Physics of Solids， 1993， 41（2）： 217-245.
[13]	CARRERE N， MARTIN E， LAMON J. The influence of the interphase and associated interfaces on the deflection of matrix cracks in ceramic matrix composites［J］. Composites： Part A， 2000， 31（11）： 1179-1190.
[14]	杨成鹏，矫桂琼，王波. 界面性能对陶瓷基复合材料拉伸强度的影响［J］. 无机材料学报， 2009， 24（5）： 919-923.
	YANG C P， JIAO G Q， WANG B. Effects of interface properties on tensile strength of ceramic matrix composites［J］. Journal of Inorganic Materials， 2009， 24（5）： 919-923 （in Chinese）.
[15]	NIU X C， MA Y， GUO S， et al. Predicting tensile behavior and strength of ceramic matrix composites： a micromechanism-based model incorporating interphase and Coulomb friction［J］. Composites Part A： Applied Science and Manufacturing， 2025， 191： 108748.
[16]	SCHWIETERT H R， STEIF P S. The tensile strength of a fiber-reinforced ceramic［J］. International Journal of Solids and Structures， 1991， 28（3）： 299-315.
[17]	杨成鹏，贾斐，魏景超. 陶瓷基复合材料韧-脆性转变强度的理论预测［J］. 力学学报， 2025， 57（8）： 1911-1919.
	YANG C P， JIA F， WEI J C. Theoretical strength prediction of ceramic matrix composites in tough-brittle transition［J］. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics， 2025， 57（8）： 1911-1919 （in Chinese）.
[18]	SAUDER C， LAMON J， PAILLER R. The tensile behavior of carbon fibers at high temperatures up to 2 400 ℃［J］. Carbon， 2004， 42（4）： 715-725.
[19]	THOULESS M D， EVANS A G. Effects of pull-out on the mechanical properties of ceramic-matrix composites［J］. Acta Metallurgica， 1988， 36（3）： 517-522.
[20]	查旭，杨胜春，黄光启，等. 陶瓷基复合材料损伤失效机理和模型研究进展［J］. 纤维复合材料， 2023， 40（3）： 31-34.
	ZHA X， YANG S C， HUANG G Q， et al. Progress on damage failure mechanism and model of ceramic matrix composite［J］. Fiber Composites， 2023， 40（3）： 31-34 （in Chinese）.
[21]	陶永强，矫桂琼，王波，等. 2D编织陶瓷基复合材料应力-应变行为：分析预测［J］. 工程力学， 2009， 26（10）： 221-227.
	TAO Y Q， JIAO G Q， WANG B， et al. Stress-strain behavior in 2D weave ceramic matrix composite： analysis predictions［J］. Engineering Mechanics， 2009， 26（10）： 221-227 （in Chinese）.
[22]	WU J， LU F Z， XU P F， et al. Transition of failure mechanisms of 2D-C/SiC under on-axis and off-axis load considering temperature effects［J］. Ceramics International， 2025， 51（10）： 12888-12900.
[23]	CAMUS G， GUILLAUMAT L， BASTE S. Development of damage in a 2D woven C/SiC composite under mechanical loading： Ⅰ. Mechanical characterization［J］. Composites Science and Technology， 1996， 56（12）： 1363-1372.
[24]	杨成鹏，矫桂琼，王波. 2D-C/SiC复合材料的单轴拉伸力学行为及其强度［J］. 力学学报， 2011， 43（2）： 330-337.
	YANG C P， JIAO G Q， WANG B. Uniaxial tensile stress-strain behavior and strength of plain woven C/SiC composite［J］. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics， 2011， 43（2）： 330-337 （in Chinese）.
[25]	MEI H， CHENG L F. Stress-dependence and time-dependence of the post-fatigue tensile behavior of carbon fiber reinforced SiC matrix composites［J］. Composites Science and Technology， 2011， 71（11）： 1404-1409.
[26]	LI J， JIAO G Q， WANG B， et al. Damage characteristics and constitutive modeling of the 2D C/SiC composite： Part Ⅰ-Experiment and analysis［J］. Chinese Journal of Aeronautics， 2014， 27（6）： 1586-1597.
[27]	梅辉，成来飞，张立同，等. 2维C/SiC复合材料的拉伸损伤演变过程和微观结构特征［J］. 硅酸盐学报， 2007， 35（2）： 137-143.
	MEI H， CHENG L F， ZHANG L T， et al. Damage evolution and microstructural characterization of a cross-woven C/SiC composite under tensile loading［J］. Journal of the Chinese Ceramic Society， 2007， 35（2）： 137-143 （in Chinese）.
[28]	魏俊飞. 连续纤维增强复合材料的拉伸强度模型研究［D］. 西安：西北工业大学， 2025： 50-52.
	WEI J F. Mechanical study on tensile strength model of continuous fiber reinforced composites［D］. Xi’an： Northwestern Polytechnical University， 2025： 50-52 （in Chinese）.

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

材料参数	数值
纤维体积分数V_f/%	40
纤维半径R/μm	3.5
威布尔模量m	5.1
特征强度σ₀/MPa	660
测试标距长度L₀/mm	50

陶瓷基复合材料韧-脆性转变统计强度模型

Statistical strength model for ceramic matrix composites in tough-to-brittle transition

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[1]	师艳, 刘晗, 赵彤彤, 代吉祥, 沙建军. 陶瓷基复合材料反应熔渗过程多场建模与仿真[J]. 航空学报, 2025, 46(3): 430722-430722.
[2]	李兆基, 董志刚, 杨峰, 鲍岩, 康仁科, 孙健淞. SiC_f/SiC复合材料锥孔飞秒激光加工方法[J]. 航空学报, 2025, 46(10): 431555-431555.
[3]	刘礼平, 齐雨阳, 蔺越国, 鲍蕊, 徐建新, 冯振宇, 卿光辉. 碳纤维复合材料胶铆混合修理结构静载拉伸失效[J]. 航空学报, 2023, 44(24): 428676-428676.
[4]	赵陈伟, 毛军逵, 屠泽灿, 邱鹏霖. 纤维增韧陶瓷基复合材料热端部件的热分析方法现状和展望[J]. 航空学报, 2021, 42(6): 24126-024126.
[5]	黄红岩, 苏力军, 雷朝帅, 李健, 张恩爽, 李文静, 杨洁颖, 赵英民, 裴雨辰, 张昊. 可重复使用热防护材料应用与研究进展[J]. 航空学报, 2020, 41(12): 23716-023716.
[6]	谭勇洋, 燕瑛, 李欣, 郭方亮. 针刺C/C复合材料拉伸强度及渐进失效数值预测[J]. 航空学报, 2016, 37(12): 3734-3741.
[7]	代吉祥, 沙建军, 王首豪, 王永昌. 纤维表面状态对C/C-SiC复合材料微观组织和相成分的影响[J]. 航空学报, 2015, 36(5): 1704-1712.
[8]	许英杰;张卫红;杨军刚;汪海滨. 平纹机织多元多层碳化硅陶瓷基复合材料的等效弹性模量预测[J]. 航空学报, 2008, 29(5): 1350-1355.
[9]	徐焜;许希武;田静. 小编织角三维编织复合材料拉伸强度模型[J]. 航空学报, 2007, 28(2): 294-300.
[10]	程小全;寇长河;郦正能. 低速冲击后复合材料蜂窝夹芯板的疲劳特性[J]. 航空学报, 1998, 19(6): 101-104.
[11]	乔生儒;骆蓉;周达宇;杨峥. 一种多晶石墨的拉伸蠕变行为[J]. 航空学报, 1994, 15(8): 955-959.
[12]	华玉;何庆芝;郦正能;寇长河. 约束开裂复合材料层板的裂纹密度计算与斜交铺层处理[J]. 航空学报, 1994, 15(3): 303-309.
[13]	梁忐勇;张佐光;宋焕成. 单一纤维和混杂纤维复合材料拉伸性能统计分析及计算模型[J]. 航空学报, 1993, 14(5): 330-335.
[14]	葛启录;雷廷权;周玉. Al_2O_3-ZrO_2-SiC_W陶瓷复合材料的显微结构和力学性能[J]. 航空学报, 1992, 13(7): 381-387.
[15]	梁志勇;张佐光;宋焕成. 浸胶丝束拉伸强度统计分布研究[J]. 航空学报, 1992, 13(10): 567-570.