孔隙對纖維增強陶瓷基復合材料的影響研究進展

王佳偉，張哲繹，2，3，趙麗濱，3，4，仝宗凱

（1.河北工業大學 機械工程學院，天津 300401；2.汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，湖南 長沙 410000；3.河北省跨尺度智能裝備技術重點實驗室，天津 300401；4.北京航空航天大學 宇航學院，北京 100191；5.北京機電工程研究所，北京 100074）

0 引言

纖維增強陶瓷基復合材料（Fiber Reinforced Ceramic Matrix Composites，FRCMCs）具有低密度、高比強、高比模、耐高溫、耐磨損以及良好的熱穩定性等優異特性[1]，在航空航天器熱部件位置上起著至關重要的作用，經常被應用于渦輪發動機噴管、渦輪葉片、超音速飛行器和再入飛行器的排氣噴嘴、制導導彈天線罩[2]等高溫部件中，不僅兼備了其他復合材料的綜合性能[3-4]，還發揮了自身獨具的熱防護作用，被譽為世界航空航天工業的前沿材料。

法美等國在陶瓷基復合材料領域的研發與應用上位于世界領先地位，法國CFM公司開發的LEAP-X發動機，將FRCMCs應用于低壓渦輪導向葉片中，在耐受1 200℃以上高溫的基礎上重量輕于傳統材料一倍之多，使得整個發動機系統的油耗量得到了大幅降低[5]；美國GE公司在30年內已經投入超過10億美元來研究FRCMCs，其中研發制造的GE9X作為波音777X的動力引擎，是世界上目前最大的新一代引擎[6-8]，其中燃燒室和渦輪采用了FRCMCs，重量較之高溫合金降低了三分之一左右，冷氣消耗量也降低了15%左右，燃油消耗顯著降低從而創造了巨大經濟效益；美國航空航天局NASA在X-37與X-38機型中都使用了FRCMCs作為其核心結構的重要組成，FRCMCs不僅能在1 600℃以上的高溫環境中服役，而且在高壓、振動、噪聲等嚴苛力學環境下仍保有優異性能[9]。FRCMCs也在其他高精尖領域中發揮了重要作用，已經在高鐵的剎車盤[10]、汽車剎車片[11]等關鍵部位投入使用。目前美國的陶瓷基復合材料市場規模約為94億美元，由于航空航天、國防武器和汽車行業的需求不斷增長，預計到2029年，陶瓷基復合材料的市場規模將以9.5%的年增長率增長至233億美元[12]。陶瓷基復合材料作為一種重要的新興材料，同樣受到了我國國防工業、新技術產業及國家重大工程領域的重視，是我國七大戰略新興產業和“中國制造2025”重點發展的十大領域之一。先進陶瓷基復合材料正向高性能、高可靠性、功能集成、環境友好、低成本等方向發展[13]。

陶瓷基復合材料按照增強方式的不同，可以分為顆粒、晶須、層狀和連續纖維增強4類，4種陶瓷基復合材料的強度和斷裂韌性依次增加。其中連續纖維增強的方式可以從根本上克服陶瓷脆性，是陶瓷基復合材料發展的熱點方向[14]。FRCMCs一般以連續碳纖維或碳化硅纖維為增強相，以熱解碳或氮化硼與碳化硅的多層復合[15]為界面相，以碳化硅作為基體相，所構成的先進高溫結構材料。三相材料相輔相成從而獲取更優異的材料性能，其中基體相保留了陶瓷材料高強度、高硬度、耐高溫、耐磨損等優異性能；界面相阻止和偏轉基體裂紋，避免復合材料的脆性破壞[16]；而纖維作為增強相則將質輕、高強度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、抗沖刷、抗濺射以及良好的可設計性等特點融入到整體材料中，各相材料得以兼容并發揮出最大優勢。但FRCMCs的制備成型工藝復雜，且在制備階段中受到環境、制備工藝等因素限制會使其產生各類初始缺陷。例如在其制造過程中，由于各相材料不同的熱機械性能，在冷卻過程中，會產生熱梯度、熱應力、局部失效等問題，冷卻后便會產生孔隙、裂紋等伴生缺陷。然后在服役過程中，由于機械過載、疲勞、時間依賴和環境影響[17]，這些孔隙缺陷可能會導致材料產生層間開裂、纖維束斷裂、纖維拔出等失效形式，極大威脅了材料使用安全與壽命，因此研究孔隙缺陷對材料的影響研究尤為重要。

本文將從FRCMCs孔隙缺陷的產生原因與檢測方法，含孔隙缺陷力學性能的量化與表征方法上進行綜述并加以總結和展望。

1 孔隙缺陷的產生與檢測方法

探究孔隙缺陷的產生是探究在制備過程中如何控制孔隙的重要環節，也為后續研究孔隙缺陷給力學性能所帶來的影響奠定基礎；而孔隙缺陷的檢測，則為研究中能夠具體定量與表征該缺陷對材料力學性能影響提供了全面準確的數據支持。

1.1 FRCMCs中孔隙的產生

FRCMCs的制備工藝主要有化學蒸汽滲透（CVI）、液體硅滲透（LSI）、前驅體∕聚合物浸漬和熱解（PIP）、熱壓燒結（HP）等[18]。在FRCMCs加工成型過程中，由于不完全滲透和殘余空氣滯留會不可避免的產生孔隙這一伴生缺陷，這也是最常見的缺陷。

從材料內部結構來看，由于FRCMCs多采用纖維編織形式，包括2D、2.5D、3D編織結構，從而會在單根增強纖維間、纖維束編織空洞處與基體中存在孔隙。孔隙主要分為纖維束內孔隙（小型孔隙）和纖維束外部與基體相接部分的束間孔隙（大型孔隙）[19]，圖1給出掃描電鏡觀察到的實際束間孔隙與束內孔隙的位置及分布情況。孔隙處是應力集中區域，易受到外載荷影響而擴張成裂紋，使材料發生破壞。且束間孔隙又會對FRCMCs的層間結構產生嚴重破壞，致使層間力學性能大幅下降，產生分層形式的破壞。

圖1 孔隙類型及分布示意圖[20-21]Fig.1 Pore type and distribution diagram

1.2 孔隙缺陷的檢測方法

復合材料缺陷檢測是得到該材料表面及內部各類缺陷形貌、位置、大小等信息的重要環節，破壞性檢測與無損檢測則是其中的兩大類檢測方法。破壞性檢測中常見的方法例如：掃描電子顯微鏡檢測（Scanning Electron Microscope，SEM）需要切割材料以表征內部結構，還有密度測量法、吸水測量法等都在一定程度上破壞了材料；而無損檢測主要有：紅外熱波無損檢測[22]、太赫茲無損檢測方法[23]、X射線無損檢測方法[24]、空氣耦合超聲無損檢測方法[25]、渦流無損檢測方法[26]等。

計算機斷層掃描成像（CT）技術，是在X射線無損檢測技術上發展而來的，它利用射線來探測物體內部，并根據測定射線的衰減系數，通過計算機處理得到由于組分不同而產生不同灰度值的上千張二維斷面圖像[27]，與其他無損檢測技術相比具有檢測精度高、缺陷還原程度高、檢測速度快等特點，在不破壞材料內部結構的前提下為研究者提供了更具價值的內部數據資料。同時根據CT技術獲得的二維斷面圖像經過計算機重構，形成的三維圖像可以更加清晰直觀地捕捉到FRCMCs中的孔隙等缺陷，檢測出包括基體體積分數、纖維體積分數、孔隙率甚至孔隙的具體位置、形狀等各類參數，為孔隙缺陷對材料性能研究提供了強有力的數據支撐，因而獲得研究人員的廣泛關注。

由于CT技術有著不損壞檢測材料、高精度可視化、數字化圖像便于分析儲存傳輸等一系列突出優勢，被公認為是用以研究含孔隙等缺陷材料內部結構高效與精準的檢測手段。John等[28]通過CT在原位拉伸加載過程中觀察到的SiC∕SiC的斷裂模式和斷裂軌跡，驗證了FRCMCs的失效和增韌模型的正確性；Aziz等[29]使用CT三維圖像與ScanIP∕ScanFE連用，直接將切片圖重構為網格模型，再導入ABAQUS中劃分網格計算，為有限元分析提供了一種新思路；Yan等[19]使用CT技術對三維編織FRCMCs結構和孔隙率進行了表征，研究了化學氣相滲透過程中纖維束形狀和孔隙率與氣體輸運的關系，并且通過重構孔隙形貌，精準識別出了外表面與內部孔隙的沉積速率差異；Choudhary等[12]利用CT技術定量分析了纖維分層深度和缺陷體積，如圖3所示，準確得出了孔隙率、基體體積分數、纖維體積分數和它們的形狀、分布；Benedicta等[30]利用CT技術和四點彎曲實驗發現了陶瓷基復合材料中纖維的拔出過程與材料的韌性有關；石多奇等[31]通過CT技術準確得到了孔隙率、孔隙的三維形狀、分布形態等；楊曉等[32]通過CT技術為后續含微觀孔隙有限元模型的建立提供了關于孔隙的各項數據支撐；Morales-Rodr?'guez等[33]通過CT技術獲得了三維圖像，它不僅提供了大孔隙、小孔隙與裂紋的形狀、尺寸和位置信息，還將體積孔隙率、開放孔隙率、連通孔隙網絡的厚度分布和彎曲度等參數加以表征，從而驗證了CT技術在材料缺陷檢測方面的優異性；Rauscher等[34]借助CT技術對四個不同試件的孔隙進行分析，證明了FRCMCs的孔隙體積和空間分布不能由一個唯一的分布函數定義，而是取決于試樣的體積。而在基于CT技術進一步完善的研究上，Saucedo-Mora和Marrow[35]利用CT技術和數字體積相關（Digital Volume Correlation，DVC）技術研究了陶瓷復合材料的損傷發展；Saucedo-Mora等[36]利用原位X射線計算機斷層掃描技術和DVC技術相結合的方法，對編織C型環陶瓷基復合材料管試樣進行了拉伸實驗，并通過原位損傷觀察，研究了基體開裂損傷的逐漸發展以及非均勻荷載的影響；Zou等[37]將高分辨率同步X射線計算機斷層掃描技術用于表征復合材料的孔隙結構和孔隙率，解決了束間和束內個體的不同比例孔隙的檢測問題。

2 孔隙缺陷的量化與表征

對于孔隙缺陷的量化與表征，研究者們多采用理論研究、數值模擬、實驗研究3種研究方法，并且多數學者將孔隙按照束間與束內的兩個尺度來分析，建立宏觀尺度、細觀尺度、微觀尺度間的關系，從而使得孔隙缺陷對FRCMCs影響的研究問題得到更加全面、綜合、準確的論述。

2.1 理論研究方法進展

FRCMCs含孔隙的理論研究是將孔隙的影響因素納入整體力學性能中加以考量，并通過理論分析結果定量表征該因素與整體力學性能模型間的數學關系，從而直觀揭示了它們的聯系。在20世紀90年代末，Peters等[38]將孔隙的形狀理想化為圓柱形，并在線性混合物規則方程上進行改進，計算了彈性模量與孔隙率之間的關系，在與實驗數據對比后發現，該材料的剪切模量、橫向拉伸模量隨著孔隙率的增加顯著降低，而縱向拉伸模量變化甚微。研究者通過建立孔隙率與各模量間的關系為后續研究提供了借鑒；Gowayed等[39]對全氧化物和非氧化物兩類CMCs進行實驗觀察，首先將材料中的缺陷分為束內的干纖維絲、束間的紗線交叉處孔隙、基體處孔隙、收縮裂紋、層間分離這5類。他們將基體孔隙理想化為球形，采用了一種考慮缺陷位置和體積分數的剛度平均的算法來量化缺陷對彈性模量的影響。與實驗數據比對后得出面內剪切模量主要受收縮裂縫和基體孔隙的影響，基體孔隙對整體彈性模量的影響取決于其體積分數。該研究結論與之前基本一致，并引入了新的量化指標。由于該模型引入了5種缺陷的影響，故對于單獨孔隙缺陷對力學性能的影響未做出深入的解釋；Santhosh等[40]假設孔隙在基體內均勻分布，將一種含有效孔隙率的模型與微觀漸進損傷模型相結合創建了一種新的理論模型—基于時間的響應模型。結合實驗得出了與平面內性能相比，孔隙率對全厚度性能的影響最為明顯，對蠕變斷裂強度也有影響。此外研究者根據橢球長寬比的不同，來探究孔隙形狀的影響，得出經線方向模量隨著橢球長寬比增大而減小，無論孔洞的形狀如何，孔洞引起的應力集中都隨著孔隙率的增加而增加，而變化的量多少取決于形狀，扁圓形孔隙對沿纖維方向應力集中的影響大于沿著材料厚度方向橢圓。由理論研究進展可知研究者對于孔隙缺陷的影響因素進行了不同程度的理想化處理，且從一開始聚焦于孔隙率這一因素到將更多種類影響因素諸如位置、形貌、尺寸等因素納入了研究范圍。

2.2 數值模擬研究方法進展

孔隙缺陷的數值模擬方法多基于有限元模擬方法，更多學者也逐漸將多尺度分析方法與有限元相結合，將不同尺度孔隙缺陷納入整體力學性能中，建立了微觀、細觀、宏觀之間的聯系，更綜合、全面解釋了材料中各尺度的孔隙缺陷到最后影響宏觀性尺度力學性能發生變化的內在機制[41]。數值模擬研究在該領域中多以細觀力學中的有限元方法為主，通過建立代表性體積單元（Representative Volume Element，RVE），并施加周期性的邊界條件，首先計算得出含孔隙束內微觀尺度的力學性能，再作為參數賦予細觀尺度的紗線力學性能，從而建立多尺度之間的聯系，使預測及設計結果更加精準且全面，是研究復合材料的強有力工具，同時也為研究含孔隙缺陷的力學性能奠定了堅實基礎。在數值模擬中按照不同尺度，分為微觀尺度孔隙與細觀尺度孔隙，多尺度孔隙分析流程建模如圖2[42]所示，接下來本節按照不同尺度的孔隙的數值模擬方法進行綜述。

圖2 引入孔隙的多尺度模擬[42]Fig.2 Multiscale Simulation of Introducing Pores[42]

2.2.1 束內孔隙數值模擬

微觀尺度的孔隙，即束內位置的孔隙一般以微米為單位，單胞模型多建立為基體包裹單根或幾根纖維的模型，再加入孔隙缺陷，且纖維束內小孔隙對微觀尺度的力學性能與損傷有著重要影響。在20世紀90年代，Liaw等[43]在Eshelby的夾雜物理論[44]的細觀力學剛度預測方法的基礎上，與均勻化方法結合，建立了微觀結構的周期模型，且將孔隙形狀描述為橢圓引入模型中，與實驗數據比較后得出孔隙率的增加會顯著降低宏觀力學性能層面的面內模量和穿透厚度模量的結論。研究者從多尺度考慮了孔隙率對模量的影響，但預測值高于實驗值，結果較為粗糙。隨著有限元方法與CT技術的日趨成熟，Aziz等[29]利用CT掃描檢測技術對陶瓷基復合材料中的孔隙率進行了表征。在軟件生成了清晰的三維實體模型后，劃分網格，建立了多孔的詳細有限元模型進行了研究。得出結論：小孔隙對楊氏模量的影響很小，但確實會導致應力的增加，對應立場有所影響，從而影響基體裂紋的萌生和擴展。并且基于圖像的網格劃分技術為復合材料的研究提出了有一個新的研究思路，網格密度增加可以提供更好的場參數和幾何表征，但有效彈性模量卻未符合這一規律。在有限元含孔隙CMCs的精細建模方面，Nagaraja和Gururaja[45]提出了一種基于數值均勻化算法的有限元方法來研究微觀尺度下束內小孔隙對材料力學性能的影響。首先使用了顯微CT作為檢測技術測得束內微孔隙率、位置、長徑比。并指出在以基體相、界面相、增強相的代表性體積單元中直接投放大量隨機位置且不相交的橢球狀孔隙會大大增加計算的難度與時間，因此采用了首先模擬單一基體相中投放固定體積分數和長徑比橢球孔隙的單胞模型，計算得出的力學性能再作為新的基體性能賦予三相同時存在的單胞模型，最后施加周期性邊界條件得出計算結果與Mori-Tanaka理論方法[46-48]吻合較好。發現材料的彈性模量、剪切模量、泊松比都會隨著孔隙率的增加而減少，尤其是剪切模量受影響程度更大；同時發現在不同長徑比下，孔隙的形狀對微觀結構力學性能的影響很小，如圖3所示為有限元數值模擬思路。該模型的優點是引入了界面相，有大量研究證明界面相對CMCs的力學性能有顯著影響。然而，一方面該模擬的流程理想化，在是否可以直接建立三相與孔隙共存的建模問題上還存在問題，另一方面計算問題將凸顯。而Gururaja和Nagaraja[49]之后在限元數值模擬方法基礎上，再次結合數值均勻化方法又研究了微孔隙的位置、取向、長徑比對微觀結構應力場的影響，進而量化了應力集中程度和應力場擾動程度。研究得出當孔隙距離界面相較遠的時候影響可忽略位置因素；沿著纖維方向的孔隙，長徑比數值越大應力集中程度越小，而垂直于纖維方向則會隨之增大。

圖3 高精度還原孔隙的三維有限元模型[45]Fig.3 3D finite element model of high-precision reduction of pores[45]

高精度還原孔隙形貌等各項參量的微觀尺度有限元建模可以極大提高預測精度，但隨著網格密度的增加，可能導致網格不收斂、計算時長增加、計算難度增大等問題。

2.2.2 束間孔隙數值模擬

細觀尺度的孔隙，即束間位置的孔隙，直徑一般在幾百微米，多在基體中加入孔隙缺陷建模。該方面的研究進展如下。結合統計學方法，在網格結構中選取孔隙單元量化表征是一種重要的研究思路：盧子興等[50]利用Weibull分布函數來隨機選取單元，賦予其零剛度來量化表征孔隙缺陷的隨機分布，并用Python語言對ABAQUS進行了二次開發，使用Linde失效準則[51]，建立了含孔隙缺陷FRCMCs的漸進損傷模型。之后得到了其應力-應變曲線，從而得到了孔隙缺陷對纖維束內部力學性能的影響，并闡述了該平紋機織復合材料單胞模型在經向拉伸載荷作用下其纖維束的損傷及其演化過程；基于Monte-Carlo仿真技術的有限元數值模擬方法，石多奇等[31]和魏坤龍等[52]）在胞元模型中利用該仿真技術在基體上隨機投入孔隙單元來模擬三維編織陶瓷基復合材料中的細觀孔隙如圖4所示，利用胞元有限元模型計算了孔隙率對三維編織陶瓷基復合材料彈性常數的影響規律。得出在孔隙率保持恒定的條件下，孔隙的位置分布對三維編織陶瓷基復合材料沿纖維束方向彈性模量的影響很小；隨著孔隙率增加，三維編織陶瓷基復合材料沿纖維束方向彈性模量下降。

圖4 隨機投放孔隙單元的三維有限元模型[31,52]Fig.4 3D finite element model of random release pore element[31,52]

張兆杭等[53]提出了一種改進的三維隨機碰撞算法來給出孔隙率及位置情況，解決了原來難以生成高孔隙率且需要多次運算的問題。再將該數據帶入有限元模型中，同樣以零剛度來模擬孔隙，模擬結果與實驗結果較好吻合。結論為：孔隙缺陷會降低編織復合材料的拉伸力學性能，其中對彈性模量影響不大，對強度影響相對較大。當孔隙率恒定時，孔隙尺寸越大則其分布越集中，對強度性能影響越大，對剛度基本沒有影響此外還有一些研究者提出了一些新的量化表征方向，楊曉等[32]等建立有限元幾何模型研究了理想模型與CT模型在不同工況下的應力分布差異。通過圖像后處理軟件進行三維數據的點云數據處理，獲得可以進行有限元分析的幾何模型。

Santhosh等[40]還提出一種新的量化表征概念：中心區域高孔隙密度的概念。建立二維有限元模型，且只考慮編織中的承載纖維，將孔隙形狀定義為橢圓、取向也沿纖維方向。得出孔隙集中度對初始剛度的影響不顯著，但孔隙度中心區域越大，其極限強度和破壞應變值越低。在空洞覆蓋整個中心區域的極端情況下，FRCMCs表現出近乎脆性的行為。如圖5所示為孔隙高集中區域示意圖，這樣建模會降低計算的復雜程度，但同時也會降低預測精度。

圖5 高孔隙率二維有限元模擬圖[40]Fig.5 2D finite element simulation diagram of high porosity[40]

2.3 含孔隙力學性能實驗研究

含孔隙缺陷的FRCMCs力學性能的實驗研究是驗證理論模型與數值模擬模型是否正確的關鍵佐證。實驗過程中研究者們通常在制備該材料后，控制孔隙缺陷的某一項影響因素改變，從而得到該因素對材料力學性能影響的具體量化與表征。

下面將綜述FRPCMCs實驗的研究進展。Peters等[38]在1995年以Nicalon NLM202碳化硅纖維制備的FRCMCs試件為研究對象，試件分別采用單向0°和0∕90°兩種鋪層方式，測量出了不同孔隙率下試件的彈性性能。研究得出孔隙率在13%～14%時對該材料的力學性能影響不大，但孔隙率一旦達到14%～15%時，縱向模量受影響比較小，但剪切模量將下降50%，橫向模量下降60%；Liaw等[43]在1996年同樣研究了平紋編織單向Nicalon碳化硅FRCMCs，采用干耦合超聲法測量了13%～20%孔隙率的20組試件的彈性常數，得出孔隙率的增加會使面內模量與貫穿厚度方向模量產生下降，且前者的受影響程度更為顯著；Aziz等[29]使用6%～7%孔隙率的Sylarmic纖維FRPCMCs試件，并在室溫與816℃時進行循環拉伸疲勞試驗，當試件達到7%的總應變時來確定與初始孔隙有關的基體開裂的位置，以此來考量孔隙對局部應力場的影響；汪海濱等[54]在2006年選用了T300碳纖維制備試樣，并且采用等溫減壓化學氣相滲透工藝制備了試樣，測得了對應不同孔隙試樣的宏觀拉伸等效模量，并結合均勻化方法，使微觀結構模型參數來驗證宏觀性能，驗證了他們所建立模型的正確性；Gowayed等[39]使用拉伸儀器測量了平面內模量，使用雙軸拉伸儀測量了剪切模量，得出面內剪切模量主要受收縮裂縫和基體孔隙的影響的結論；石多奇等[31]采用拉伸試驗，根據應力-應變曲線，將模型預測的曲線與實驗預測曲線進行比對，驗證了含孔隙模型的正確性；張兆行等[53]在常溫、準靜態加載條件下，使用液壓伺服疲勞試驗機來進行單軸拉伸試驗。根據應力-應變曲線圖9[53]得出：剛度受孔隙率影響，與孔隙的位置、尺寸無關；而孔隙尺寸越大則更容易造成應力集中，致使強度降低。對于FRCMCs彎曲實驗主要用于測量單向纖維增強復合材料的彎曲強度與彎曲模量，且有三點彎曲與四點彎曲兩種實驗方法：吳守軍等[55]研究了三維Hi Nicalon碳化硅纖維經CVI工藝制備的陶瓷基復合材料的彎曲強度的分布規律，得出FRCMCs服從σu=0，m=8.154 5的兩參數Weibull分布[56-58]，并且可以用兩參數Weibull分布預測復合材料的彎曲強度；Pirzada等[59]利用原位x射線檢與三點彎曲實驗結合，在室溫與1 100℃條件下得知，抗彎強度不受溫度的影響，且因剪切而產生的裂紋會沿著垂直纖維方向傳播，從而更深刻的了解材料的破壞機理，然而對于含孔隙缺陷的FRCMCs力學性能彎曲實驗還很少。

3 總結與展望

本文綜述了孔隙缺陷對FRCMCs影響的研究方法及研究方向，孔隙缺陷對FRCMCs力學性能的影響直接關系到材料服役階段的安全和效益，具有重要的研究價值。綜上所述，在含孔隙缺陷FRCMCs的檢測過程中，現有三維圖像重建技術有待進一步優化與完善；在研究孔隙缺陷導致FRCMCs破壞失效的過程中，對于不同尺度下孔隙缺陷的具體破壞機理有待進一步明確，尤其是孔隙缺陷對FRCMCs各項力學性能的影響研究還不夠深入。從理論研究進展來看，眾多學者從最初研究孔隙率對材料的影響逐漸擴展到孔隙的形貌、尺寸、取向等量化表征因素給材料力學性能帶來的影響。從Eshelby等效夾雜、剛度平均、Mori-Tanaka等細觀力學方法出發，在這些方法基礎上進行改進、修正從而使得理論解析達到更高的預測精度；從數值模擬研究進展來看，同樣擴展了孔隙缺陷的量化表征因素，采用有限元方法，基于統計學思想隨機投放孔隙單元和還原孔隙形貌等建模分析是目前兩大主流方向，研究者們追求提高計算精度，但隨著高度還原的含孔隙缺陷FRCMCs模型的建立，其網格密度也隨之增加，從而在計算時間、難度等方面又帶來新的挑戰；從實驗研究進展來看，目前的研究熱點多集中于孔隙缺陷與FRCMCs拉伸模量、剪切模量、貫穿厚度方向模量等力學性能建立聯系，對于含孔隙缺陷FRCMCs其他力學性能影響的實驗研究還較少。在取得上述進展的同時，我們認為未來該領域的研究將面臨如下機遇與挑戰：

1）對于不同位置服役的部件，根據其不同的力學性能要求，將孔隙缺陷在不同研究問題中進行理想化與精細化的選擇進行判別，該過程能給建模計算過程帶來方便的同時滿足精度需求，因此根據最需滿足的力學性能對含孔隙FRCMCs進行設計研究是一個重要方向；

2）實驗研究目前多集中于宏觀力學性能，且多集中于各類彈性模量。針對不同尺度下含孔隙缺陷FRCMCs的其他力學性能以及除孔隙率外不同量化表征因素的加入也是未來實驗的發展方向；

3）對含孔隙FRCMCs的量化表征影響因素進一步拓展，對于復雜服役環境，需要滿足多項力學性能要求的，可以對各個影響因素進行綜合考量，判斷它們產生的綜合影響；

4）目前研究人員普遍認為過高的孔隙率會使力學性能下降，但是孔隙缺陷也會對FRCMCs起到一些積極作用，例如基體開裂、界面脫粘、纖維斷裂等內部損傷發展的吸能過程，使纖維韌強效果得到顯著增強，未來針對如何控制孔隙率達到更合適的指標也是一個重要方向；

5）對于孔隙缺陷導致FRCMCs的不同尺度的損傷失效機理作出進一步明確的闡述，能夠為孔隙缺陷與該材料力學性能間的關聯關系提供詳盡的信息來指導理論、數值模擬、實驗研究，并且對3類研究的方法進行豐富與擴充。