高超声速飞行器热防护材料的力学性能研究是保障飞行安全的关键环节。酚醛树脂浸渍碳烧蚀体(Phenolic impregnated carbon abator, PICA)是一种新型的热防护材料，在制备过程中将酚醛树脂溶液过滤后热解，能够形成高孔隙率的热解碳粘接碳纤维网络复合材料(Carbon-bonded carbon fiber composites, 简称CBCFs)。CBCFs材料具有密度低，比刚度、强度高，导热率低等优异特征，但其微观结构复杂，宏观力学性能表现出横观各向同性。为提高CBCFs材料的抗氧化性能，通常引入陶瓷涂层隔绝氧气，以保护内部碳纤维的化学稳定性。随着国内外对于可重复使用飞行器的需求日渐迫切，可重复使用性能同样成为衡量热防护材料实际适用性的关键指标之一。

近日，国际复合材料顶刊《Composites Part B: Engineering》发表了北京航空航天大学杨振宇教授团队在针对碳化硅涂层的热解碳粘接碳纤维网络复合材料(SiC-coated carbon-bonded carbon fiber composites, 简称SiC-coated CBCFs)的可重复使用力学性能评价方面的最新研究，团队的合作者还包括航天材料及工艺研究所的李同起研究员和中国航天科技创新研究院的张尧副研究员。文章首次对化学气相沉积工艺获得的SiC-coated CBCFs材料开展了上百次的系列循环压缩力学试验，以详细的微观结构表征为根据，分析了变形恢复特征、应力软化特征等的变化规律，评估了涂层材料引入的影响及其可重复使用性能。论文标题为“The mechanical responses of SiC-coated carbon-bonded carbon fiber composites under quasi-static cyclic compressive loading”。

内容简介

研究团队首先利用化学气相沉积方法制备了SiC-coated CBCFs材料，有效减少多余涂层材料的堆积，避免内部碳纤维与孔隙中残留氧气的反应，维护材料的化学稳定性。多尺度材料的微观结构直接影响宏观性能，因此团队利用电子扫描显微镜(Scanning electron microscopy, 简称SEM)和计算机断层扫描技术(Computed tomography, 简称CT)对CBCFs材料的微观结构进行了详细的观测表征。如图1所示，受到沉积、过滤等制备工艺的影响，SiC-coated CBCFs材料内部的纤维取向分布具有方向性，这也是造成其横观各向同性性能特征的内在原因。

图1 SiC-coated CBCFs材料的表面化学成分分析与微观结构观测表征。

图2的微观照片显示，SiC-coated CBCFs中纤维和粘接点的形貌更加复杂。与未涂层的碳纤维表面对比发现，碳化硅涂层在碳纤维表面包裹均匀，纤维形貌依旧保持为近似笔直的圆柱形。引入涂层材料的粘接区域体积增大，表明碳化硅与热解碳相互结合，共同参与交联纤维之间的粘接行为。此外，观测中还捕捉到取向相近的相邻纤维之间产生的集束现象。

图2 有无涂层的CBCFs材料微观结构对比与纤维粘接特征。

在微观结构观测表征的基础上，研究开展了一系列准静态压缩试验，以探究SiC-coated CBCFs材料的宏观压缩力学性能及其退化规律。根据微观尺度上纤维取向分布的差异，将样品分为面外和面内两类。与未涂层的CBCFs材料相比，碳化硅涂层的引入对材料整体面外和面内方向的压缩模量的提升率分别达到178.67%和86.82%，强度提升率分别为56.25%和38.86%，其中模量的提升效果更加显著。虽然组分碳纤维等材料均具有弹脆性的力学特征，但是整体材料在两个方向上表现出不同的弹性-伪塑性行为。

图3 不同样品中纤维分布取向分布示意图及准静态压缩应力-应变曲线对比。

研究考察了材料宏观和微观尺度上的损伤和失效形式。图4显示，在宏观尺度上，SiC-coated CBCFs材料在面外方向出现粉末状压溃失效，在面内方向上分层失效；而微观尺度上，其存在表层纤维剥落和沿面内方向的主裂纹扩展两种损伤形式。纤维的变形和损伤机制的方向性差异，是两种样品中纤维取向与加载方向之间角度的不同所导致的。

图4 SiC-coated CBCFs材料宏观和微观尺度上的损伤失效形式及其机理分析。

为评估SiC-coatedCBCFs材料力学性能的退化规律，研究首先开展两类样品的单次逐级循环压缩试验。面外样品的应力-应变曲线表现出明显的滞回环，在后续加载中存在应力软化现象，而面内样品的卸载曲线则与加载曲线斜率相近。SiC-coated CBCFs材料在面外方向上具有压缩变形可恢复特征。结合材料内部微观结构的变形和损伤机制，提出加载曲线中能量的消耗主要分为变形储存的应变能，损伤消耗的能量和摩擦消耗的能量三部分。

图5 单次逐级循环压缩试验结果以及其中残余应变和耗散能量分析。

针对可重复使用飞行器的上百次使用需求，该工作设计了200次单级循环压缩试验，首次探索SiC-coated CBCFs材料的变形恢复能力和承载能力随使用次数的变化规律。如图6所示，两类样品的残余应变均在25次循环之后达到稳定，而承载能力持续降低，在200次循环中仍未形成稳定数值。该试验结论可以用于指导评估特定载荷环境下重复使用过程中材料的承载能力，对后续该类材料的结构完整性的检测与维修具有重要意义。

图6 200次单级循环压缩试验代表性应力-应变曲线及残余应变和最大卸载应力变化分析。

根据该类热防护材料通常以面外方向贴敷于飞行器表面的使用特点，研究团队进一步开展面外样品的25次逐级循环压缩试验，如图7所示。提取卸载模量和能量耗散系数随卸载应变及循环次数的关系，发现SiC-coated CBCFs材料的卸载模量随压缩程度的提高逐渐增大，而能量耗散系数的提高最终会趋近稳定。随着循环次数的增加，卸载刚度和能量耗散系数均逐渐降低，且能量耗散系数几乎在第10次循环之后保持一致。

图7 25次逐级循环压缩试验应力-应变曲线及卸载刚度和能量耗散系数变化分析。

小结

该项研究借助化学气相沉积工艺成功制备了高孔隙率、低密度的SiC-coated CBCFs材料，通过详尽的微观结构观测表征与系统的压缩力学试验，探索了从微观结构到宏观力学性能的重要关联效应，也首次揭示了该类新型热防护材料在可重复使用需求下的力学性能退化规律，为该类材料的结构设计和制备工艺的发展提供了重要的参考，也对未来其在实际使用过程中的检测与维修方案制定具有关键的指导意义。

文章的第一作者是北京航空航天大学的博士生李志男，通讯作者为北航航空学院的杨振宇教授，同时北航航空学院卢子兴教授对该研究给予了重要指导，合作者还有航天材料及工艺研究所的李同起研究员和中国航天科技创新研究院的张尧副研究员。这项研究得到了国家自然科学基金面上项目的资助。

原始文献：

Li Zhinan, Qian Yixing, Li Tongqi, Zhou Xin, Zhang Yao, Yang Zhenyu, Lu Zixing. The mechanical responses of SiC-coated carbon-bonded carbon fiber composites under quasi-static cyclic compressive loading, Composites Part B: Engineering, 2024(283), 111642.