一种陶瓷基复合材料氧化环境碳界面消耗体积确定方法技术

本发明专利技术公开了一种陶瓷基复合材料氧化环境碳界面消耗体积确定方法，具体为：统计材料横截面纤维总根数，测量界面平均厚度、纤维平均直径，获取基体裂纹个数及之间的间距，及材料两个端面与邻近裂纹之间的距离，并从小到大排序；将横截面上的纤维分为独立纤维、单点接触纤维、两点接触纤维及多点接触纤维，统计相应类型纤维的个数；计算每种类型纤维外侧碳界面的面积，及材料含有的碳质量分数；计算材料在不同氧化时刻下的界面消耗长度；比较界面消耗长度与基体裂纹间距的1/2、材料两个端面与邻近裂纹之间距离的1/2的大小关系，得到碳界面消耗的总长度，最后计算得到界面消耗体积。本发明专利技术可以准确给出材料氧化一定时间后碳界面消耗体积及其分布情况。

【技术实现步骤摘要】
一种陶瓷基复合材料氧化环境碳界面消耗体积确定方法
本专利技术涉及一种陶瓷基复合材料氧化环境碳界面消耗体积确定方法，具体涉及一种单向碳化硅纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料氧化环境下碳界面消耗体积确定方法。
技术介绍
碳化硅纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料(Continuoussiliconcarbidefiberreinforcedsiliconcarbidecomposites，以下简称SiC/SiC)的耐高温、低密度、高比强、高比模等优异性能，使其成为航空航天领域不可替代的新型高温结构材料之一，广泛应用于航空航天发动机热端部件、航空航天往返防热系统、高速刹车、燃气轮机热端部件、高温气体过滤和热交换器等，其工作环境温度高，且普遍存在氧化性的介质如氧气。组分材料包括碳化硅纤维、碳界面以及碳化硅基体，由于基体与纤维、界面之间的热膨胀系数不匹配，制备后的基体上存在许多微裂纹，这些微裂纹会成为氧化介质的流动通道，从而导致氧化介质进入复合材料内部，氧化侵蚀碳界面。碳界面的氧化消耗使得SiC纤维和基体直接接触，相互之间的摩擦阻力增大，同时引起材料内部应力集中，在载荷作用下容易引起材料的脆性断裂。快速有效的计算出单向SiC/SiC材料内部碳界面消耗体积及分布，能够为材料服役过程中的强度、寿命评估提供重要的理论依据，并为材料可靠性设计提供必备的技术支撑。目前，对于确定单向SiC/SiC材料内部碳界面消耗体积及分布的技术主要有以下两种：文献“OxidationMechanismsandKineticsof1D-SiC/C/SiCCompositeMaterials:I,AnExperimentalApproach.JournaloftheAmericanCeramicSociety,1994,77(2):459-66”公开了一种通过实验测试单向SiC/C/SiC材料在氧化环境下界面消耗体积的测试方法，该方法基于热解碳与SiC纤维、基体导电性能的差异，通过对氧化不同时间后的材料进行电阻测试，测得界面的消耗体积。但该方法只考虑垂直纤维方向横截面处界面的氧化，不考虑基体微裂纹的存在对界面氧化的影响，因此与实际不符。另一方面，材料的制备、测试过程在时间、人力、物力上的大量损耗，限制了实验方法在材料设计中的应用。专利CN103093063B“氧化环境中单向碳化硅纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料损伤的检测方法”基于平均裂纹间距假设，选取含一条裂纹、一根纤维的代表性体积元，应用氧化动力学方程计算基体裂纹处碳界面消耗长度，但是该方法没有考虑材料初始微裂纹分布的不均匀性对界面氧化消耗的影响，也没有考虑多根纤维相互接触对界面氧化消耗的影响，因此无法准确预测界面消耗体积在单向SiC/SiC材料内部的分布。因此，有必要提供一种简单有效、能够准确预测界面消耗体积在单向SiC/SiC材料内部分布的方法。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种陶瓷基复合材料氧化环境碳界面消耗体积确定方法，解决了现有技术存在的不能够准确预测出单向SiC/SiC复合材料在氧化环境下的界面消耗体积分布的问题。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种陶瓷基复合材料氧化环境碳界面消耗体积确定方法，包括如下步骤：步骤1，获取陶瓷基复合材料的体积和质量，并计算得到材料的密度；步骤2，根据材料在纤维方向的横截面，统计纤维总根数，计算碳界面的平均厚度及纤维平均直径；步骤3，根据材料横截面上的纤维之间是否相互接触以及接触点的多少，将材料横截面上的纤维分为独立纤维、单点接触纤维、两点接触纤维及多点接触纤维，并统计相应类型纤维的个数；步骤4，基于碳界面的平均厚度、纤维平均直径以及纤维之间接触点的多少，计算每种类型纤维外侧碳界面的面积，并进一步计算出材料含有的碳质量分数；步骤5，获取材料外表面的基体裂纹个数a，测量相邻基体裂纹之间的距离以及材料在纤维方向的两个横截面与邻近基体裂纹之间的距离，共a+1个距离，将上述距离从小到大排序，将最小距离作为第1距离，最大距离作为第a+1个距离；步骤6，基于氧化动力学方程，计算材料在不同氧化时刻下的碳界面消耗长度rc；步骤7，将碳界面消耗长度rc与步骤5求得距离的1/2进行比较：当rc<最小距离/2时，碳界面消耗总长度为lc_c＝(2a+2)rc；当rc≥最大距离/2时，碳界面消耗总长度lc_c为步骤5求得的所有距离之和；当rc处于某两个距离的1/2之间时，即x＝1,…,a，lc_c等于第1至第x个距离之和加上(2a+2-2x)rc；步骤8，基于材料横截面上碳界面的总面积与碳界面消耗总长度，计算得到材料氧化过程中的碳界面消耗体积及其分布规律。作为本专利技术的一种优选方案，步骤2所述碳界面的平均厚度，计算公式为：其中，e为碳界面的平均厚度，n为纤维总根数，ei表示随机选取纤维总根数的1/100中第i根纤维周围的碳界面厚度。作为本专利技术的一种优选方案，步骤2所述纤维平均直径，计算公式为：其中，df为纤维平均直径，n为纤维总根数，dfi表示随机选取纤维总根数的1/100中第i根纤维的直径。作为本专利技术的一种优选方案，步骤4所述纤维外侧碳界面的面积，计算公式为：其中，Scj为与其他纤维之间存在j个接触点的纤维外侧碳界面的面积，j＝0,1,…,q，q为纤维之间最大接触点的个数，rf为纤维平均半径，e为碳界面的平均厚度。作为本专利技术的一种优选方案，步骤6所述碳界面消耗长度rc，计算公式为：其中，k0为碳界面的氧化反应速率常数，Ea为碳界面的氧化反应活化能，R为通用气体常数，T为环境温度，为环境中的氧气分压，Mc为碳界面的摩尔质量，ρc为碳界面的密度，t是氧化反应时间。本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：1、本专利技术考虑了纤维在单向SiC/SiC复合材料中的实际分布对碳界面含量的影响，同时考虑了氧气从材料垂直于纤维的两个端面处进入对碳界面的氧化、氧气从基体裂纹处进入对材料内部界面的氧化，可以准确的给出材料氧化一定时间后碳界面消耗体积及其分布情况。2、本专利技术计算的整个过程简洁高效，克服了实验方法成本高、耗时长的缺点。附图说明图1是本专利技术实施例含多基体裂纹单向SiC/SiC复合材料几何模型示意图。图2是材料截面纤维接触类型示意图。图3是单点接触纤维界面面积示意图。图4是单根纤维周围界面消耗长度计算流程图。图5是不同情况下碳界面消耗体积分布示意图，其中，(a)为(b)为(c)为(d)为(e)为图6是单向SiC/SiC材料不考虑基体裂纹模型预测结果、考虑多基体裂纹分布模拟结果与试验测试结果的对比曲线。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本专利技术，而不能解释为对本专利技术的限制。本专利技术一种单向SiC/SiC复合材料氧化环境界面消耗体积确定方法，包括如下步骤：(1)将单向SiC/SiC复合材料试样于纤维方向的两个截面打磨至光滑，并测量材料在各个方向上的尺寸，计算出材料的体积，并采用高精度质量传感器测量材料的质量；单向SiC/SiC复合材料试样为长方体结构，长宽高分别为l,w,h，则材料的体积Vcomp＝l*w*h。(2)将打磨后的材料放入扫描电子显微镜(SEM)中，对材料本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种陶瓷基复合材料氧化环境碳界面消耗体积确定方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，获取陶瓷基复合材料的体积和质量，并计算得到材料的密度；步骤2，根据材料在纤维方向的横截面，统计纤维总根数，计算碳界面的平均厚度及纤维平均直径；步骤3，根据材料横截面上的纤维之间是否相互接触以及接触点的多少，将材料横截面上的纤维分为独立纤维、单点接触纤维、两点接触纤维及多点接触纤维，并统计相应类型纤维的个数；步骤4，基于碳界面的平均厚度、纤维平均直径以及纤维之间接触点的多少，计算每种类型纤维外侧碳界面的面积，并进一步计算出材料含有的碳质量分数；步骤5，获取材料外表面的基体裂纹个数a，测量相邻基体裂纹之间的距离以及材料在纤维方向的两个横截面与邻近基体裂纹之间的距离，共a+1个距离，将上述距离从小到大排序，将最小距离作为第1距离，最大距离作为第a+1个距离；步骤6，基于氧化动力学方程，计算材料在不同氧化时刻下的碳界面消耗长度rc；步骤7，将碳界面消耗长度rc与步骤5求得距离的1/2进行比较：当rc<最小距离/2时，碳界面消耗总长度为lc_c＝(2a+2)rc；当rc≥最大距离/2时，碳界面消耗总长度lc_c为步骤5求得的所有距离之和；当rc处于某两个距离的1/2之间时，即...

【技术特征摘要】
1.一种陶瓷基复合材料氧化环境碳界面消耗体积确定方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，获取陶瓷基复合材料的体积和质量，并计算得到材料的密度；步骤2，根据材料在纤维方向的横截面，统计纤维总根数，计算碳界面的平均厚度及纤维平均直径；步骤3，根据材料横截面上的纤维之间是否相互接触以及接触点的多少，将材料横截面上的纤维分为独立纤维、单点接触纤维、两点接触纤维及多点接触纤维，并统计相应类型纤维的个数；步骤4，基于碳界面的平均厚度、纤维平均直径以及纤维之间接触点的多少，计算每种类型纤维外侧碳界面的面积，并进一步计算出材料含有的碳质量分数；步骤5，获取材料外表面的基体裂纹个数a，测量相邻基体裂纹之间的距离以及材料在纤维方向的两个横截面与邻近基体裂纹之间的距离，共a+1个距离，将上述距离从小到大排序，将最小距离作为第1距离，最大距离作为第a+1个距离；步骤6，基于氧化动力学方程，计算材料在不同氧化时刻下的碳界面消耗长度rc；步骤7，将碳界面消耗长度rc与步骤5求得距离的1/2进行比较：当rc<最小距离/2时，碳界面消耗总长度为lc_c＝(2a+2)rc；当rc≥最大距离/2时，碳界面消耗总长度lc_c为步骤5求得的所有距离之和；当rc处于某两个距离的1/2之间时，即x＝1,…,a，lc_c等于第1至第x个距离之和加上(2a+2-2x)rc...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙志刚，陈西辉，靳彧，宋迎东，熊严，陈鹏，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32