2.2　纖維預制體結構參數

2.2.1　纖維體積分數與模量

纖維的強度、模量、體積分數、在基體中的分布、纖維絲束大小和編織方式等都會對CMC的強韌性產生影響。以連續纖維均勻分布的單向CMC為例，分析纖維對CMC“增韌補強”的作用。為方便分析，做如下假設［1］：

①各組分材料均勻；纖維是等距定向平行排列，其性質與直徑也是均勻的。

②各組分材料是連續的，且單向復合材料也是連續的，纖維與基體結合良好。受力時，在與纖維相同方向上復合材料和各組分的應變相等，即：

　　（2-1）

式中，σ為拉伸應力；E為彈性模量；ε為拉伸應變；下標c、f和m分別代表復合材料、纖維和基體。

③各相在復合狀態下，其性能與未復合前相同；纖維和基體是各向同性的。

④加載前，組分材料和單向復合材料無應力；加載后，纖維和基體間不產生橫向應力。

以上述假設為基礎，根據復合材料混合法則，可得出CMC在基體斷裂時的應力為：

　　（2-2）

式中，σmu為基體斷裂強度；Vf為纖維體積分數。由式（2-2）可以看出：要使纖維在CMC中發揮增強的作用，則纖維的模量必須大于基體的模量，即Ef/Em大于1，這也是復合材料中纖維和基體要滿足的模量匹配條件。對于大部分CMC體系來說，基體與纖維的模量接近，甚至高于纖維的模量，即Ef/Em小于或等于1，從而使纖維不能起到增強作用，甚至會降低復合材料的強度［2］。

研究表明［1］，復合材料受力后，纖維和基體承擔載荷的大小是按照各自模量以及體積分數的大小來分配的，即：

　　（2-3）

式中，Pf和Pm分別為纖維和基體所承擔的載荷。由式（2-3）和圖2-1［1］可見，當纖維體積分數一定時，纖維和基體承擔載荷之比與纖維和基體的模量之比成正比，隨著纖維模量提高，纖維承擔載荷的比例也隨之增大。此外，也可看出，當纖維和基體的模量一定時，纖維所承擔載荷的比例隨纖維體積分數增大而增大。一般來說，纖維強度均高于基體強度，所以提高纖維的承載比例能提高復合材料強度。這也意味著纖維的模量和體積分數越高，對提高復合材料強度所起的作用也越大。

為了進一步說明纖維模量和體積分數對復合材料強度的影響，可推導出纖維承擔載荷占復合材料總載荷的百分比，見式（2-4）［1］：

　　（2-4）

式中，Pc為復合材料承擔的載荷。纖維體積分數不同的情況下，纖維和復合材料承擔載荷之比隨纖維和基體模量之比的變化如圖2-2所示［1］。由式（2-4）和圖2-2可清楚看出：當纖維體積分數一定時，提高纖維模量，即提高Ef/Em比值，可增加復合材料中纖維承擔外加載荷的比例。當纖維和基體模量一定時，增加纖維的體積分數也能增加纖維承載的比例。這里需要說明的是，如果Ef/Em太大，則會影響應力在復合材料中的傳遞，容易在界面處形成應力集中，反而使復合材料的強度降低。

由此可見，纖維的強度、彈性模量以及體積分數對CMC的強韌性設計（尤其是強度設計）具有重要意義。在不考慮增韌而單純考慮增強的條件下，纖維的強度、彈性模量和體積分數要盡可能高。

就提高纖維體積分數而言，采用纖維預制體能夠最大限度提高纖維體積分數。理論計算指出，纖維體積分數在單向排列情況下可達90.6%，在二維正交排列的情況下可達78.5%，在三維正交排列的情況下可達67.9%。但受工藝條件制約，實際應用中纖維體積分數通常為30%～50%。

2.2.2　纖維分布方式

纖維在基體中的分布均勻度和排列方式對CMC強韌性也有重要影響［3～6］。承載方向的纖維決定了復合材料的變形和失效行為，非承載方向的纖維決定復合材料的損傷機制；且承載方向纖維體積分數不同是造成編織結構復合材料強韌性差異的主要原因。當纖維取向與外應力垂直時，纖維對復合材料強韌性的影響很有限；當纖維取向與外應力平行時，纖維對復合材料強韌性的影響最為明顯。

2.2.3　纖維種類

纖維作為復合材料的增強體，其本征特性直接影響復合材料的強韌性。研究表明［7～13］：T300碳纖維增韌的C/SiC復合材料的強韌性高于M40碳纖維增韌的C/SiC復合材料的強韌性，SiC纖維增韌的SiC/SiC復合材料的強韌性高于碳纖維增韌的C/SiC復合材料的強韌性。由于纖維種類不同也導致其物理性能不同，從而決定了復合材料中殘余熱應力及應力再分布情況的不同，將導致復合材料強韌性發生很大變化。也有分析認為［10］，SiC/SiC復合材料強韌性高的原因有兩方面。一是由于SiC纖維直徑（約14μm）比碳纖維直徑（約7μm）大，CVI過程中SiC基體更容易填充纖維束間和纖維束內的空隙，因而SiC/SiC復合材料中纖維束及束內纖維受SiC基體的約束更強。二是由于碳纖維和SiC基體之間熱膨脹系數差異較大，C/SiC復合材料中基體在垂直于加載方向存在大量微裂紋，該微裂紋會導致碳纖維在受載過程中更易損傷斷裂；對于SiC纖維和SiC基體，由于兩者間熱膨脹系數差異較小，SiC/SiC復合材料中基體在垂直于加載方向幾乎無微裂紋，故SiC纖維在加載過程中不易損傷。

2.2.4　纖維損傷

在CMC制備完成后，纖維的原位強度低至原始強度的～，說明在制備過程中纖維的損傷嚴重。CMC中纖維損傷主要來自三個方面：一是機械損傷，即纖維和基體模量失配對纖維的損傷；二是熱化學損傷，即纖維表面反應導致的損傷；三是熱物理損傷，即纖維和基體熱膨脹失配導致的熱應力損傷。機械損傷與纖維預制體結構有關，纖維曲折度越大，機械損傷越嚴重。CMC制造中的化學反應過程可能對纖維造成氧化和腐蝕損傷，減小熱化學損傷要求對制造過程氣氛進行控制。一般CMC基體的熱膨脹系數大于纖維的熱膨脹系數，在制備溫度下纖維不承受熱應力，但低于制備溫度時纖維受壓應力，高于制備溫度時纖維受拉應力。溫度越高，熱膨脹系數差越大，熱物理損傷越嚴重。

CMC的纖維損傷有三點啟示。①減小纖維損傷是提高CMC強韌性最直接和最有效的途徑之一。②高性能纖維的強韌化作用受纖維損傷制約，并不是纖維性能越高強韌化效果越好。選擇合適的纖維直徑有利于減小纖維損傷，纖維直徑越大強度越低，纖維直徑越小越容易損傷。③采用界面層能最大限度減小纖維損傷，而多孔基體和間隙界面不利于纖維的保護［14］。

綜上所述，目前，國內外對纖維增強體與CMC-SiC強韌化的研究主要集中在纖維種類和體積分數對強韌性的影響上，缺乏纖維絲束大小對強韌性影響的研究，纖維種類和體積分數對強韌性影響的研究還有待進一步深入。