近日，西北工业大学等机构的研究团队在高温结构材料研究领域取得重大突破。他们首次利用激光加热与原位微计算机断层扫描技术（微旷科技显微原位CT），在高达1800°C的环境中，对带有环境屏障涂层的2D-SiC/BN/SiC陶瓷基复合材料进行了实时损伤观测与数值模拟，揭示了其在极端温度下的损伤演化机制与性能退化规律。第一作者为西北工业大学大学硕士研究生胡定国，通讯作者为西北工业大学刘永胜教授教授、刘斌老师。

论文标题:  “Elevated-temperature in-situ μCT characterization and progressive damage simulation of EBC-coated SiC/SiC ceramic matrix composites”（EBC涂层SiC/SiC陶瓷基复合材料的高温原位μCT表征和渐进损伤模拟）

1.研究摘要

在高温条件下，关于带有环境障碍涂层（EBCs）的SiC/SiC陶瓷基复合材料（CMCs）原位损伤演化的研究仍然有限。本研究在1350°C、1600°C和 1800°C下，利用非接触式激光加热系统和红外测温进行温度控制，对二维编织SiC/SiC复合材料（带EBCs）开展了显微原位CT拉伸实验。通过深度学习算法对CT图像进行分析，系统研究了孔隙率、孔隙连通性以及裂纹扩展特征。本文提出并验证了一种适用于SiC/SiC复合材料的热-力耦合多线性本构模型，同时建立了纱线和基体在高温下性能退化的方法，以及一种包含中尺度孔隙的有限元建模方法。

实验与数值结果均表明：纱线间孔隙和试样边缘在初始加载阶段是裂纹的起始位置。随后，裂纹沿垂直于外加载应力的方向扩展，并与相邻孔隙产生的裂纹汇合。实验结果显示，过高的温度会导致纤维和基体的晶粒长大，从而降低复合材料的强度。数值模型在引入纱线和基体退化特性的情况下，成功捕捉到了SiC/SiC复合材料随温度升高而拉伸强度下降的现象。

2. 研究材料与原位CT试验方法

2.1 研究材料

研究团队采用二维编织SiC/SiC复合材料样本，表面覆盖三层结构的环境屏障涂层，通过化学气相渗透工艺制备。

2.2 原位CT试验方法

利用微旷科技自主研发的显微原位CT（XPloreVista 2000 4D），采用非接触式激光加热系统，在氩气保护下对SiC/SiC复合材料进行了1350°C、1600°C和1800°C的高温显微原位CT拉伸试验，并通过红外测温仪监测温度。每次实验在多个加载阶段进行CT扫描，获取材料内部结构的三维图像。加载速率控制在3 μm/s，扫描分辨率设置为4.26 μm。

图1. 原位SiC/SiC试样，测试设置，1600°C时的载荷与时间的关系：（a）样品，（b）负载条件，（c）负载设备，（d）μCT扫描间隔。

2.3 基于深度学习的损伤识别方法

图2. 深度学习推理模块的详细预测工作流程

3. 原位CT研究成果

3.1 裂纹演化规律

裂纹首先在试样边缘和纱线间大孔隙处萌生，随后沿垂直于载荷方向扩展。

在1600°C下，裂纹在200 N时明显扩展，500 N时形成贯穿截面的隧道裂纹，并在纱线交界处发生偏转与合并。

高温下裂纹演化呈现明显的阶段性：边缘开裂 → 基体隧道裂纹 → 纱线内微裂纹饱和 → 纤维断裂。

图3. 1600℃时不同加载水平下YZ和XZ平面截面的μCT切片

图4. 在500 N和1600°C条件下，在YZ和XZ平面上不同位置的μCT切片

图5. 1600℃断裂前500 N载荷下的裂缝和孔洞三维重建：(a)深度学习识别的裂缝；(b)孔洞和孔洞组合视图

3.2 温度对性能的影响

随着温度升高，材料断裂载荷显著下降：1350°C时为1065 N，1600°C降至507N，1800°C仅为75 N。

断口分析显示，1350°C时纤维拔出长度最长，断裂面粗糙；随着温度升高，纤维拔出减少，断口趋于平整，表明断裂模式由界面滑移主导转向纤维脆性断裂。

图6. 在1350°C，1600°C和1800°C时的裂缝照片，3D重建和裂缝表面的SEM图像

3.3 数值模拟验证

所建立的有限元模型成功预测了1350°C和1600°C下的断裂载荷，误差分别为1.03%和3.55%。

模拟结果再现了实验观察到的裂纹扩展路径与断裂位置，验证了模型的有效性。

图8. 1600℃时模拟与实验对比：(a)基体开裂阶段，(b)断裂前阶段，(C)完全断裂破坏阶段

4. 研究结论

本研究通过高温显微原位CT实验与深度学习辅助的图像分析，结合热力耦合有限元模拟，系统揭示了EBC涂层SiC/SiC复合材料在高温下的损伤演化机制。研究结果表明：

（1）裂纹起源于边缘与孔隙，扩展路径受孔隙分布显著影响。

（2）高温导致微观结构退化，是材料性能下降的主要原因。 

（3）所提出的本构模型与退化方法能准确预测材料在高温下的力学行为。

原始文献：

Hu D, Liu B, Yang T, et al. Elevated-temperature in-situ μCT characterization and progressive damage simulation of EBC-coated SiC/SiC ceramic matrix composites[J]. Composites Part B: Engineering, 2025: 112925.

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2025.112925