摘要
陶瓷基复合材料具有抗氧化、耐腐蚀、耐高温以及高度的可设计性等优点，已广
泛应用于航空航天等众多领域。随着各种陶瓷基复合材料结构的出现，研究陶瓷基复
合材料的力学性能对实现工程应用中的可靠性具有重要意义。然而，采用实验方法来
研究复合陶瓷的力学性能的过程极为繁复，并且实验周期长，因此，利用数值模拟的
方法来研究陶瓷基复合材料的力学性能引起了人们广泛关注。本文通过建立莫来石晶
须/3Y-TZP复合陶瓷三维有限元模型，研究晶须的直径、含量对复合陶瓷力学性能的
影响规律，探索陶瓷基复合材料在涡轮叶片上的实际应用。主要研究内容如下：
1/3Y-TZP
（）基于蒙特卡洛方法，建立了莫来石晶须复合陶瓷有限元模型，研究
了晶须直径、含量对3Y-TZP复合陶瓷硬度、抗弯强度以及断裂韧性的影响规律。结
果表明：随着晶须直径、含量的增加，复合陶瓷的硬度逐渐减小；而复合陶瓷的抗弯
强度和断裂韧性都随晶须直径、含量的增加先增大后减小，当晶须的直径、含量分别
为0.12μm、2vol%时，复合陶瓷的抗弯强度和断裂韧性均达到最大值。
2/3Y-TZP
（）通过优化晶须生成算法，建立了莫来石晶须复合陶瓷代表性体积单
元模型，并通过施加周期性边界条件，研究了晶须直径、含量对3Y-TZP复合陶瓷等
效弹性性能的影响规律。结果表明：莫来石晶须为3Y-TZP复合陶瓷承担了更大应力；
随着晶须直径的增加，等效弹性模量和泊松比逐渐减小；随着晶须含量的增加，等效
弹性模量和泊松比逐渐增加，与增加晶须直径的情况相反。
3/3Y-TZP
（）根据莫来石晶须复合陶瓷代表性体积单元模型计算得出的宏观等效
弹性性能参数，建立了陶瓷基涡轮叶片有限元模型，通过施加温度边界条件以及离心
-
载荷，研究了陶瓷基涡轮叶片在力热耦合作用下的应力分布规律。结果表明：陶瓷基
涡轮叶片从叶尖区域到叶根区域应力不断升高，在叶根区域出现了明显的应力集中现
象；随晶须直径的增大，涡轮叶片的最大应力和最大位移也逐渐增大；当增加晶须含
量时，最大应力和最大位移逐渐减小。因此，在对涡轮叶片进行结构设计时，应着重
考虑叶根部位，合理调控莫来石晶须的直径及含量来减小叶片的集中应力，并有效提
高复合陶瓷的抗弯强度以及断裂韧性。
关键词：晶须；3Y-TZP复合陶瓷；力学性能；数值模型；有限单元法
I
II
ABSTRACT
Ceramicmatrixcompositesarewidelyusedinmanyfieldssuchasaerospacedueto
theiradvantagesofoxidationresistance,corrosionresistance,hightemperatureresistance
andhighdesignability.Withtheemergenceofvariousceramicmatrixcompositestructures,
itisofgreatsignificancetostudythemechanicalpropertiesofceramicmatrixcompositesto
achievereliabilityinengineeringapplications.However,theprocessofusingexperimental
methodstostudythemechanicalpropertiesofcompositeceramicsisextremelycomplicated,
andthee