近日，合肥工业大学赵昌方副教授，联合南昌航空大学、中国航天科工集团第六研究院二一〇所、西安交通大学、中国航空发动机集团有限公司湖南动力机械研究所等单位，在航天器喷管喉衬用碳纤维增强碳化硅(C/SiC)复合材料的多尺度力学行为研究方面取得了重要成果。相关论文发表于工程化综合性国际期刊Engineered Science(TOP期刊)。

C/SiC复合材料具有耐超高温、抗冲刷、抗氧化及高比强度等优异性能，是航空航天高超声速飞行器热防护部件的关键候选材料。然而，该材料内部存在显著的拉压性能不对称、高孔隙率以及复杂的多尺度结构(从微米级的单根纤维到宏观的编织结构)，传统单一尺度的力学模型难以准确描述其损伤演化与失效机制，尤其缺乏从微观到宏观、连接周期性均匀化与非周期性破坏的跨尺度一体化框架。

为此，该研究团队进行了初步尝试：构建了一套跨多尺度的建模与仿真方法，研究从单根碳纤维-碳化硅基体代表性体积单元(RVE1)出发，逐级建立纤维束模型RVE2、二维编织模型RVE3、单层及多层复合材料宏观模型，形成了“微观—细观—宏观”的完整分析链条。

主要发现为：①定量揭示了C/SiC复合材料的拉压强度差异性：实验测得的抗压强度与抗拉强度的强度比σ_c/σ_t ≈2.1；②成功模拟了C/SiC复合材料的多尺度失效行为：拉伸/压缩时裂纹优先在纤维束交织区域及孔隙周边萌生，而剪切失效时则沿着纤维/基体界面扩展；③阐明了拉压加载下微观失效模式的差异：拉伸断口平坦、纤维拔出极少，表现为脆性基体开裂主导；压缩断口为夹角式压剪破坏，有块状脱粘现象。

图1  C/SiC复合材料的跨尺度分析示意图

该研究将CT形貌表征、周期性/非周期性多尺度有限元模拟与原位力学测试统一在同一框架下，为航天用C/SiC复合材料的高精度性能预测、等效模型标定及失效判定提供了跨尺度分析方法，对于发动机喷管喉衬、热防护结构等关键部件的设计具有重要工程价值。

合肥工业大学机械工程学院赵昌方副教授为论文的唯一第一作者，南昌航空大学飞行器工程学院的周志坛副教授和西安交通大学航天航空学院的冀梁博士为论文的共同通讯作者，其他作者还包括中国航天科工集团第六研究院二一〇所的胡峰和王亚东工程师、中国航空发动机集团有限公司湖南动力机械研究所的罗丁和陈文彬工程师。该研究得到了国家国防科技工业局稳定支持科研项目（GB202406292）、基础性军工科研院所稳定支持项目(WDZC20230105)、中小型航空发动机叶轮机械重点实验室基金(KY-1003-2024-0035)、国家自然科学基金(12302233)及中国博士后科学基金(2024T170719)等项目的资助。

文章标题：Cross-Multiscale Mechanical Behavior of Carbon Fiber/Silicon Carbide Composites used in Spacecraft Nozzle Throat Liners

文章链接：doi: 10.30919/es2168