研究背景
单向(UD)和二维织物(2D)混杂增强的陶瓷基复合材料(CMC)具有优异的0°方向力学性能和90°方向成形性能。然而，这些混杂CMC表现出复杂的面内各向异性，其力学性能在很大程度上取决于UD纤维含量。为了阐明微观结构与宏观力学性能的关系，本研究开发了一种多尺度模拟方法，并考虑了纤维、基体和纤维束的统计随机性。通过微型C/SiC拉伸试验验证了微观尺度模拟的有效性。细观尺度针对UD纤维含量0%~80%的混杂C/SiC开展了模拟。预测了UD纤维含量对各向异性力学性能和渐进损伤演化的影响，并与实验数据形成了交叉验证。结果表明，多尺度模拟为理解微结构-性能关系的机制提供了新的见解。UD层通过延缓纤维主导的损伤起始是0°拉伸强度随UD纤维含量的增加而二次提高的主要机制，并超过了裂纹偏转的贡献。然而，增加UD纤维含量会提前初始缺陷导致的2D编织层损伤，导致90°方向的力学性能退化。本文提出的多尺度方法为针对不同工程应用的CMC混杂织物设计提供了有效的评价工具。
多尺度建模框架
多尺度实验
实验部分对微型C/SiC、纯5HS C/SiC和UD/5HS混杂C/SiC进行了拉伸试验。微型C/SiC的实验结果被用来验证微观尺度模型，而其他实验结果则被用来验证细观尺度模型。
纤维束和混杂C/SiC拉伸实验
微观尺度模拟及跨尺度信息传递
微观模型对纤维束轴向及横向拉伸的渐进损伤过程进行了模拟。揭示了纤维束微观失效机理与应力-应变曲线变化之间的联系。针对其非线性力学响应，对纤维束的等效刚度进行了性能传递。考虑到纤维束以及微观缺陷的空间异质性，基于细观模型的网格尺寸建立了随机强度传递模型。通过批量化计算，获取了纱线/UD层单向的强度统计分布函数。
微观模拟及跨尺度信息传递
细观尺度模拟及UD层调控机理
细观尺度模拟表明，在0°拉伸下，增加UD纤维含量可通过两种主要机制提高混杂C/SiC的力学性能：(A)延缓纤维为主的纵向纱线损伤的发生；(B)通过裂纹偏转抑制其发展。值得注意的是，延迟损伤发生是复合材料强度随UD纤维含量二次增加的主要机制，超过了损伤发展抑制的贡献。
典型混杂比材料0°拉伸渐进损伤过程
相反，在90°拉伸下，UD层中缺陷裂纹的存在加速了SW层的损伤萌生。增加UD纤维含量会放大这种由预裂纹引起的早期损伤，导致力学性能退化。此外，在H02-C/SiC中观察到的裂纹偏转机制未能缓解这些不利影响。多尺度模拟确定的机理很好地解释了UD纤维含量对各向异性力学性能的影响。
典型混杂比材料90°拉伸渐进损伤过程
本研究建立的多尺度模型有效地预测了混杂C/SiC不同尺度下的面内各向异性力学性能和破坏机理。它为针对不同工程应用的高性能混杂结构的设计提供了可靠的定量预测工具。
该文章主要完成人为多功能轻量化材料与结构团队刘强副教授及其硕士研究生刘沂沅，卢天健教授为通讯作者，研究工作得到国家自然科学基金和江苏省双创团队基金的部分资助。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2026.118316
