中文摘要：

碳纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料(C/SiC)是新一代高推重比航空发动机热端部件的重要候选材料，其高温服役性能受到广泛关注，开展其应力氧化性能的数值模拟研究，对于节省试验开支，推动材料的研发和应用，具有重要的意义。本项目以细观力学理论与方法为基础，综合考虑应力和高温联合作用下的涂层裂纹演变、环境气氛扩散和C相氧化反应过程，研究它们对材料性能的影响。通过构建含制备缺陷的材料代表性体积单元模型，实现基本力学性能和热物理性能的精确预测；构建涂层裂纹的热力耦合分析模型，实现涂层裂纹尺寸的预测；通过环境气氛扩散方程和C相氧化反应动力学方程的耦合，实现氧化损伤规律的预测；将C相氧化损伤引入材料的细观分析模型中，实现不同应力氧化阶段剩余力学性能及应力氧化寿命的预测。通过上述研究，建立基于细观力学的C/SiC复合材料应力氧化性能预测的理论框架，为C/SiC复合材料在航空发动机燃气环境等的工程应用提供参考。

结论摘要：

碳纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料(C/SiC)是高推重比航空发动机热端部件的重要候选材料，其高温服役性能受到广泛关注。C/SiC复合材料的损伤模式是力学、热物理化学耦合作用下力学损伤和化学过程的交互作用，在高温氧化性气氛服役条件下的应力氧化是其主要的失效形式之一。 本项目以细观力学理论与有限元计算细观力学方法为基础，在C/SiC复合材料细观结构的分析、测量以及制备缺陷统计分析的基础上，通过建立应力氧化有限元模型，综合考虑应力、高温和氧化性气氛联合作用下的涂层裂纹演变、环境气氛扩散和C相氧化反应，研究这些过程和制备缺陷对材料应力氧化寿命的影响，建立服役环境下C/SiC复合材料应力氧化性能预测的理论框架，对开展复杂应力和环境作用下材料的服役性能预测具有借鉴意义。项目取得的研究成果和结论包括 （1）基于细观结构SEM照片对平纹编织C/SiC复合材料的几何结构和制备缺陷进行了完整的参数化表征，并对各表征参数进行了测量与统计，建立了精确的RVE模型，实现了纤维束和宏观材料两个尺度上的有效性能（杨氏模量、泊松比、剪切模量、热膨胀系数等）的预测； （2）基于细观力学思想和材料RVE模型，通过气相扩散机制和氧化反应机制的分析，建立了C/SiC在高温、应力、氧化性气氛联合作用下的损伤演化数值模拟模型，在应力氧化损伤规律的推导和材料总体失效判据确立的基础上，预测了C/SiC复合材料应力氧化寿命，取得了与试验结果较为一致的预测结果；将细观力学理论应用于平纹编织C/SiC复合材料高温应力氧化的数值模拟，拓展了细观力学理论的应用范围； （3）考虑到制备缺陷的随机特征，利用神经网络方法，建立了制备缺陷与材料应力氧化寿命之间的关系，研究了制备缺陷对材料服役性能的影响，可为材料设计提供参考。 （4）完成了平纹编织复合材料在高温模拟环境中的应力氧化可靠性寿命试验，积累了一批有价值的试验数据，并对应力氧化数值模拟的结果进行了验证。 （5）用聚类分析方法对平纹编织C/SiC复合材料拉伸损伤过程中的声发射信号进行了模式识别，获得了基体开裂，界面层脱粘，层间剥离，纤维断裂，纤维束断裂等损伤模式的声发射特征参数，进而对C/SiC复合材料拉伸损伤过程的损伤机制进行了深入分析，为C/SiC复合材料损伤机制的声发射表征与分析奠定了基础。