热防护系统是高超声速飞行器的关键技术问题之一,“防热—结构一体化”是其发展方向。C/SiC陶瓷基复合材料因其耐高温、低密度、抗氧化等优异性能,已成为防热结构一体化材料的首选。实现C/SiC在防热结构的应用,需了解材料级、典型结构单元级和复杂组合构件级等各层次的力学性能规律。梁结构是飞行器的一种基本承力结构单元。本文拟以2D C/SiC槽型梁和工型梁为研究对象,研究材料力学性能、梁结构特征、在线铆接对梁结构力学行为以及热震对梁结构性能的影响。主要研究内容及结果如下:1.研究了2D C/SiC槽型梁的弯曲力学行为。结果表明:(1)2D C/SiC梁的弯曲响应具有非线性特征,梁截面的弯曲刚度随载荷增加呈近似线性下降,且截面中性轴会向受压侧偏移。(2)弯曲载荷下,在2D C/SiC槽型梁截面存在拉伸损伤、剪切损伤、拉剪损伤和压剪损伤四种损伤模式。梁截面不同位置损伤类型不同:拉伸损伤先萌生于受拉侧翼缘,剪切损伤先萌生于腹板,而拉剪损伤和压剪损伤均起始于翼缘与腹板的过渡位置。(3)弯曲载荷下,2D C/SiC槽型梁最终失效位置位于受拉侧翼缘,其受拉剪损伤控制。2.基于2D C/SiC工型梁的结构特征,研究了在弯曲和面外拉伸载荷下该工型梁的力学行为。结果表明:(1)2D C/SiC工型梁为槽型梁和板梁的组合结构,在子结构的组合界面容易存在局部缺陷,如局部分层和孔隙。(2)在弯曲载荷下,工型梁受拉侧翼缘的组合界面易出现分层,该分层行为受组合界面力学性能和边界约束刚度的影响,分层损伤首先萌生于翼缘内侧靠近腹板处,之后向梁横向和轴向扩展。(3)在面外拉伸载荷下,工型梁从组合界面处分层失效,其分层失效临界载荷和分层失效机制受组合界面Si C基体含量的影响。3.研究了2D C/SiC铆接组合梁的弯曲响应规律。结果表明:(1)2D C/SiC铆接组合梁的弯曲响应与组合界面剪切刚度有关。组合界面剪切刚度越大,组合梁的弯曲响应越接近整体梁。(2)组合界面剪切刚度与铆钉性能、铆钉排布和组合界面粘接状态有关。本文2D C/SiC铆接组合梁的组合界面剪切刚度约为7.5-10 GPa。(3)弯曲载荷下,铆钉主要承受剪切力和局部弯矩,且铆钉排布会影响铆钉的承载大小,而扭矩的存在会影响剪切力大小与方向。4.研究了2D C/SiC铆接组合梁的孔周应力场及损伤特征。结果表明:(1)在弯曲载荷下,钉孔界面粘接状态与孔径大小对孔周应力场有较大影响,而铆钉铺层方向对孔周应力场影响较小。(2)在弯曲载荷下,在环向应力最大位置损伤最严重,该损伤主要受孔径影响。(3)在弯曲载荷下,2D C/SiC铆接组合梁的最终失效模式仍为翼缘拉伸失效,其承载能力比非铆接槽型梁提高20%。(4)钉孔界面失效模式受钉孔界面粘接状态影响。当界面强结合时,失效裂纹可穿过铆钉;当界面为弱结合时,失效裂纹沿着界面传播。(5)本文建立的组合梁弯曲强度预测方法可较好预测2D C/SiC铆接组合梁的弯曲失效载荷,预测结果与试验结果的误差在17%以内。5.研究了热震对2D C/SiC槽型梁力学性能的影响。结果表明:(1)在空气环境下,2D C/SiC槽型梁的热震损伤包含热应力损伤、纤维氧化损伤和基体氧化损伤。700℃热震主要为纤维氧化损伤;1000℃热震损伤模式与热震次数密切相关:热震30次时,主要为基体热应力损伤,少量纤维氧化损伤;热震50次时,在纤维氧化损伤加剧的同时,基体也存在氧化。(2)2D C/SiC槽型梁热震损伤模式对其应变响应特征有较大影响:700℃热震后,纤维氧化损伤使得加载后期压缩应变呈非线性,且其受热震次数影响较大;1000℃热震后,基体损伤使得拉伸应变的非线性特征更明显。(3)热震损伤模式对2D C/SiC槽型梁的失效模式有重要影响:纤维氧化损伤可使槽型梁压缩失效,基体损伤可导致拉伸失效。