SiC3D/Al双连续相复合材料高应变率效应机理研究

SiC3D/Al co-continuous composites with three-dimensional networks, which determines its excellent physical and mechanical properties, especially at high strain rate loading process showed high strain rate hardening properties, the mechanism with the traditional experimental method is difficult to solve. This study intends to develop a macro-meso-scale numerical calculation method based on the high strain rate response mechanism to carry out research on reinforcement and toughening phase complex three-dimensional topological structure. The research contents include: ⅰ) Develops a three-dimensional model reconstruction method based on two-dimensional microstructure pictures, which can exactly describe the complicated space topology structure with interconnected network of C4; ⅱ)Develops a trans-scale numerical calculation method, which can reproduce the deformation, damage and fracture of the SiC3D/Al co-continuous composites in the dynamic loading process, and reveal the reinforcement toughening cross penetration mechanism of high strain rate effect of the micro structure; ⅲ) SiC3D/Al co-continuous composites dynamic response law and primary and secondary factors are obtained in the strain rate ranged from 500s-1 to 3000 S-1. The basic research of this work will provide a theoretical basis for the development and application of the high protective coefficient ceramic matrix composites.

SiC3D/Al双连续相复合材料具有三维连通网状结构，决定其具有优良的物理性能和力学性能，尤其是在高应变率加载过程表现出很高的应变率强化特性，这其中的机理用传统的实验方法难以解决。本研究拟基于宏观-细观跨尺度数值计算方法，开展增强相和增韧相复杂的三维连通网状结构的高应变率响应机理研究。研究内容包括：①发展基于二维显微组织图片统计信息的三维实体模型重构方法，建立SiC3D/Al双连续相复合材料细观几何模型，真实描述SiC3D/Al双连续相复合材料复杂的拓扑结构特征；②发展宏观-细观跨尺度数值计算法，再现SiC3D/Al双连续相复合材料在动态加载时的变形、损伤和断裂过程，揭示增强相和增韧相交叉贯穿微结构的高应变率效应机理；③研究应变率为500s-1～3000 s-1范围SiC3D/Al双连续相复合材料动态响应规律，明确主次因素，为新型高防护系数的陶瓷基复合材料研制和应用提供理论基础。

SiC3D/Al双连续相复合材料具有优越的抗冲击性能，研究高应变率下其力学响应机理是该种复合材料优化设计及性能提升的重要基础。本课题针对SiC3D/Al双连续相复合材料的复杂空间结构进行三维模型重构算法研究，提出基于统计的优化生长法重构SiC3D/Al双连续相复合材料的三维实体模型。通过最大类间方差法对复合材料SEM图像进行预处理，提出生长核分布规则得到复合材料二维数字矩阵和生长核分布矩阵；通过模拟退火法优化三维生长核分布；通过优化方向生长概率的自生长法对三维模型矩阵中的生长核进行生长，得到SiC3D/Al双连续相复合材料三维重构实体模型；最后采用五项统计参数，将三维重构实体模型与Micro-CT重构模型的体积百分比含量、分形维数、轮廓长度、线长与两点自相关函数进行对比，验证基于统计的优化生长法对SiC3D/Al双连续相复合材料模型重构的准确性。建立了宏观和细观跨尺度下的复合材料各组成物相材料本构模型，获得了宏观-计算有限元计算过程中载荷和边界条件的等效移植方法，解决直接嵌套过程中由于网络单元尺寸引起的奇异性问题，实现了SiC3D/Al双连续相复合材料三维有限元模型的自动重构，并对重构有限元模型进行自动统计计算，得到体积百分比含量、分形维数、轮廓长度、线长与两点自相关函数统计数据。进一步地，对重构SiC3D/Al双连续相复合材料三维模型进行冲击条件下的动态力学行为进行数值模拟，获得了SiC3D/Al双连续相复合材料在高应变率下的宏微观力学响应机制。通过基于统计的优化生长法重构不同的三维模型，得到不同第二相材料、两相体积百分比含量和两相分布特征的复合材料三维模型，获得了第二相材料、两相体积百分比含量和两相分布特征对SiC3D/Al双连续相复合材料动态力学性能的影响规律。