2.2　纤维预制体结构参数

2.2.1　纤维体积分数与模量

纤维的强度、模量、体积分数、在基体中的分布、纤维丝束大小和编织方式等都会对CMC的强韧性产生影响。以连续纤维均匀分布的单向CMC为例，分析纤维对CMC“增韧补强”的作用。为方便分析，做如下假设［1］：

①各组分材料均匀；纤维是等距定向平行排列，其性质与直径也是均匀的。

②各组分材料是连续的，且单向复合材料也是连续的，纤维与基体结合良好。受力时，在与纤维相同方向上复合材料和各组分的应变相等，即：

　　（2-1）

式中，σ为拉伸应力；E为弹性模量；ε为拉伸应变；下标c、f和m分别代表复合材料、纤维和基体。

③各相在复合状态下，其性能与未复合前相同；纤维和基体是各向同性的。

④加载前，组分材料和单向复合材料无应力；加载后，纤维和基体间不产生横向应力。

以上述假设为基础，根据复合材料混合法则，可得出CMC在基体断裂时的应力为：

　　（2-2）

式中，σmu为基体断裂强度；Vf为纤维体积分数。由式（2-2）可以看出：要使纤维在CMC中发挥增强的作用，则纤维的模量必须大于基体的模量，即Ef/Em大于1，这也是复合材料中纤维和基体要满足的模量匹配条件。对于大部分CMC体系来说，基体与纤维的模量接近，甚至高于纤维的模量，即Ef/Em小于或等于1，从而使纤维不能起到增强作用，甚至会降低复合材料的强度［2］。

研究表明［1］，复合材料受力后，纤维和基体承担载荷的大小是按照各自模量以及体积分数的大小来分配的，即：

　　（2-3）

式中，Pf和Pm分别为纤维和基体所承担的载荷。由式（2-3）和图2-1［1］可见，当纤维体积分数一定时，纤维和基体承担载荷之比与纤维和基体的模量之比成正比，随着纤维模量提高，纤维承担载荷的比例也随之增大。此外，也可看出，当纤维和基体的模量一定时，纤维所承担载荷的比例随纤维体积分数增大而增大。一般来说，纤维强度均高于基体强度，所以提高纤维的承载比例能提高复合材料强度。这也意味着纤维的模量和体积分数越高，对提高复合材料强度所起的作用也越大。

为了进一步说明纤维模量和体积分数对复合材料强度的影响，可推导出纤维承担载荷占复合材料总载荷的百分比，见式（2-4）［1］：

　　（2-4）

式中，Pc为复合材料承担的载荷。纤维体积分数不同的情况下，纤维和复合材料承担载荷之比随纤维和基体模量之比的变化如图2-2所示［1］。由式（2-4）和图2-2可清楚看出：当纤维体积分数一定时，提高纤维模量，即提高Ef/Em比值，可增加复合材料中纤维承担外加载荷的比例。当纤维和基体模量一定时，增加纤维的体积分数也能增加纤维承载的比例。这里需要说明的是，如果Ef/Em太大，则会影响应力在复合材料中的传递，容易在界面处形成应力集中，反而使复合材料的强度降低。

由此可见，纤维的强度、弹性模量以及体积分数对CMC的强韧性设计（尤其是强度设计）具有重要意义。在不考虑增韧而单纯考虑增强的条件下，纤维的强度、弹性模量和体积分数要尽可能高。

就提高纤维体积分数而言，采用纤维预制体能够最大限度提高纤维体积分数。理论计算指出，纤维体积分数在单向排列情况下可达90.6%，在二维正交排列的情况下可达78.5%，在三维正交排列的情况下可达67.9%。但受工艺条件制约，实际应用中纤维体积分数通常为30%～50%。

2.2.2　纤维分布方式

纤维在基体中的分布均匀度和排列方式对CMC强韧性也有重要影响［3～6］。承载方向的纤维决定了复合材料的变形和失效行为，非承载方向的纤维决定复合材料的损伤机制；且承载方向纤维体积分数不同是造成编织结构复合材料强韧性差异的主要原因。当纤维取向与外应力垂直时，纤维对复合材料强韧性的影响很有限；当纤维取向与外应力平行时，纤维对复合材料强韧性的影响最为明显。

2.2.3　纤维种类

纤维作为复合材料的增强体，其本征特性直接影响复合材料的强韧性。研究表明［7～13］：T300碳纤维增韧的C/SiC复合材料的强韧性高于M40碳纤维增韧的C/SiC复合材料的强韧性，SiC纤维增韧的SiC/SiC复合材料的强韧性高于碳纤维增韧的C/SiC复合材料的强韧性。由于纤维种类不同也导致其物理性能不同，从而决定了复合材料中残余热应力及应力再分布情况的不同，将导致复合材料强韧性发生很大变化。也有分析认为［10］，SiC/SiC复合材料强韧性高的原因有两方面。一是由于SiC纤维直径（约14μm）比碳纤维直径（约7μm）大，CVI过程中SiC基体更容易填充纤维束间和纤维束内的空隙，因而SiC/SiC复合材料中纤维束及束内纤维受SiC基体的约束更强。二是由于碳纤维和SiC基体之间热膨胀系数差异较大，C/SiC复合材料中基体在垂直于加载方向存在大量微裂纹，该微裂纹会导致碳纤维在受载过程中更易损伤断裂；对于SiC纤维和SiC基体，由于两者间热膨胀系数差异较小，SiC/SiC复合材料中基体在垂直于加载方向几乎无微裂纹，故SiC纤维在加载过程中不易损伤。

2.2.4　纤维损伤

在CMC制备完成后，纤维的原位强度低至原始强度的～，说明在制备过程中纤维的损伤严重。CMC中纤维损伤主要来自三个方面：一是机械损伤，即纤维和基体模量失配对纤维的损伤；二是热化学损伤，即纤维表面反应导致的损伤；三是热物理损伤，即纤维和基体热膨胀失配导致的热应力损伤。机械损伤与纤维预制体结构有关，纤维曲折度越大，机械损伤越严重。CMC制造中的化学反应过程可能对纤维造成氧化和腐蚀损伤，减小热化学损伤要求对制造过程气氛进行控制。一般CMC基体的热膨胀系数大于纤维的热膨胀系数，在制备温度下纤维不承受热应力，但低于制备温度时纤维受压应力，高于制备温度时纤维受拉应力。温度越高，热膨胀系数差越大，热物理损伤越严重。

CMC的纤维损伤有三点启示。①减小纤维损伤是提高CMC强韧性最直接和最有效的途径之一。②高性能纤维的强韧化作用受纤维损伤制约，并不是纤维性能越高强韧化效果越好。选择合适的纤维直径有利于减小纤维损伤，纤维直径越大强度越低，纤维直径越小越容易损伤。③采用界面层能最大限度减小纤维损伤，而多孔基体和间隙界面不利于纤维的保护［14］。

综上所述，目前，国内外对纤维增强体与CMC-SiC强韧化的研究主要集中在纤维种类和体积分数对强韧性的影响上，缺乏纤维丝束大小对强韧性影响的研究，纤维种类和体积分数对强韧性影响的研究还有待进一步深入。