一种二维编织陶瓷基复合材料氧化后剩余刚度预测方法技术

本发明专利技术涉及一种二维编织陶瓷基复合材料氧化后剩余刚度预测方法。刚度指材料在受力时抵抗弹性变形的能力。通过分析材料各组分的刚度，即可确定材料内部的应力应变分布。因此本发明专利技术提供了一种能准确预测二维编织陶瓷基复合材料氧化后剩余刚度的方法。提出了考虑纤维氧化的动力学模型，在此基础上建立了考虑纤维氧化的微观尺度模型和二维编织陶瓷基复合材料中尺度模型。采用有限元法，通过施加周期性边界条件，计算了材料氧化后的剩余刚度。本发明专利技术能够精确的预测出该材料在不同氧化时间、不同氧化温度区间的剩余刚度，不需要通过实验花费大量的人力、物力去测试，因此节约了大量的试验成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种二维编织陶瓷基复合材料氧化后剩余刚度预测方法。
技术介绍
二维编织陶瓷基复合材料具有高比强、高比模、耐高温、耐腐蚀和低密度等优良性能，在空天飞行器高温防护系统具有广泛的需求。材料在其使用过程中，由于受到高温环境因素的影响，会逐渐产生氧化损伤，导致材料力学性能下降，进而严重影响工程构件的使用寿命与安全。刚度指材料在受力时抵抗弹性变形的能力，研究二维平纹编织陶瓷基复合材料氧化后剩余刚度对其应用有着重要意义。由于单向陶瓷基复合材料存在非纤维方向力学性能弱等缺点，其应用范围受到了限制。二维编织结构陶瓷基复合材料的出现，克服了单向复合材料的缺点，同时在厚度方向上纤维束整体化更高，增加了材料层间剪切强度，减少了分层现象，并提高了复合材料抗冲击性能和弯曲疲劳性能，因此大大扩展了陶瓷基复合材料的应用范围。然而由于二维编织陶瓷基复合材料是一种新型结构材料，国内外还没有高效的方法预测其氧化后的剩余刚度，也未见公开的专利技术专利。杨成鹏(杨成鹏,矫桂琼,王波,等.2D-C/SiC复合材料的氧化损伤及刚度模型[J].复合材料学报,2009,26(3):175-181.)采用实验的方法测试了2D C/SiC复合材料在700℃环境下的剩余刚度，并基于细观结构的变化建立了计算公式，计算值与实验值较为吻合。但通过实验的方式要消耗大量的实验资金，其提出的计算模型也只能计算离散的特定温度下的剩余刚度。当前，如何准确的预测二维编织陶瓷基复合材料氧化后的剩余刚度是本
重要而难以解决的问题。
技术实现思路
专利技术目的：针对上述现有技术，提出一种能有效预测二维编织陶瓷基复合材料氧化后剩余刚度预测方法。技术方案：一种二维编织陶瓷基复合材料氧化后剩余刚度预测方法，包括如下步骤：(1)，基于质量损失率理论和纤维退化规律假设，建立氧化动力学模型；(2)，基于氧化动力学模型，采用有限元软件，建立氧化后的微观尺度的单胞模型；(3)，施加微观尺度的单胞模型的周期性边界条件；(4)，计算该单胞模型6个方向的弹性参数；(5)，采用有限元软件，建立二维编织陶瓷基复合材料单胞模型；(6)，将计算得到的氧化后微观尺度的单胞模型6个方向的弹性参数作为纱线的基本属性，带入二维编织陶瓷基复合材料单胞模型；(7)，施加所述二维编织陶瓷基复合材料单胞模型的周期性边界条件；(8)，计算得到二维编织陶瓷基复合材料轴向的剩余弹性模量。作为本专利技术的优选方案，所述步骤(1)中，所述质量损失率理论分为两个温度区间：1)当温度在400℃～700℃区间时，公式如下： λ r = Δ W W = K 0 χ O 2 PS e f f M c R T W exp ( - E r R T ) t - - - ( 1 ) ]]>其中，λr是复合材料的质量损失率，W是复合材料的质量，ΔW是材料的质量变化量，K0是与氧化速率相关的常数，是氧气的体积分数，P是大气气压，Mc是碳纤维的摩尔质量，R是气体常数，T是环境温度，Er是氧化反应活化能，t是氧化时间，Seff是碳的有效反应面积；其中，Seff＝μW，μ是碳的反应有效系数；2)当温度在700℃～900℃区间时，公式如下： λ r = S e f f N c M c W ( 4 λ ( T 1 / 2 - T 3 / 2 / T c ) N c P R T l n [ 1 + χ o 2 ( 0 ) ] 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种二维编织陶瓷基复合材料氧化后剩余刚度预测方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)，基于质量损失率理论和纤维退化规律假设，建立氧化动力学模型；(2)，基于氧化动力学模型，采用有限元软件，建立氧化后的微观尺度的单胞模型；(3)，施加微观尺度的单胞模型的周期性边界条件；(4)，计算该单胞模型6个方向的弹性参数；(5)，采用有限元软件，建立二维编织陶瓷基复合材料单胞模型；(6)，将计算得到的氧化后微观尺度的单胞模型6个方向的弹性参数作为纱线的基本属性，带入二维编织陶瓷基复合材料单胞模型；(7)，施加所述二维编织陶瓷基复合材料单胞模型的周期性边界条件；(8)，计算得到二维编织陶瓷基复合材料轴向的剩余弹性模量。

【技术特征摘要】
1.一种二维编织陶瓷基复合材料氧化后剩余刚度预测方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)，基于质量损失率理论和纤维退化规律假设，建立氧化动力学模型；(2)，基于氧化动力学模型，采用有限元软件，建立氧化后的微观尺度的单胞模型；(3)，施加微观尺度的单胞模型的周期性边界条件；(4)，计算该单胞模型6个方向的弹性参数；(5)，采用有限元软件，建立二维编织陶瓷基复合材料单胞模型；(6)，将计算得到的氧化后微观尺度的单胞模型6个方向的弹性参数作为纱线的基本属性，带入二维编织陶瓷基复合材料单胞模型；(7)，施加所述二维编织陶瓷基复合材料单胞模型的周期性边界条件；(8)，计算得到二维编织陶瓷基复合材料轴向的剩余弹性模量。2.根据权利要求1所述的二维编织陶瓷基复合材料氧化后剩余刚度预测方法，其特征在于：所述步骤(1)中，所述质量损失率理论分为两个温度区间：1)当温度在400℃～700℃区间时，公式如下： λ r = Δ W W = K 0 χ O 2 PS e f f M c R T W exp ( - E r R T ) t - - - ( 1 ) ]]>其中，λr是复合材料的质量损失率，W是复合材料的质量，ΔW是材料的质量变化量，K0是与氧化速率相关的常数，是氧气的体积分数，P是大气气压，Mc是碳纤维的摩尔质量，R是气体常数，T是环境温度，Er是氧化反应活化能，t是氧化时间，Seff是碳的有效反应面积；其中，Seff＝μW，μ是碳的反应有效系数；2)当温度在700℃～900℃区间时，公式如下： λ r = S e f f N c M c W ( 4 λ ( T 1 / 2 - T 3 / 2 / T c ) N c P R T l n [ 1 + χ o 2 ( 0 ) ] t - L c ) - - - ( 2 ) ]]>其中，Nc是碳的摩尔密度，λ是与初始状态有关的常数，Tc是基体开裂温度，Lc是涂层厚度；所述纤维退化规律假设：假设纤维以圆形的规律在高温下进行退化，公式如下： δ = ( λ r ρ c L H πnρ f N f ) 1 2 - - - ( 3 ) ]]>其中，δ是纤维的氧化长度，ρf和ρc分别表示纤维和复合材料的密度，L是复合材料的长度，H是复合材料的高度，n是碳的物质的量，Nf是单位面积内纤维的数量；将所述复合材料的质量损失率λr带入所述纤维的氧化长度δ的计算公式(3)，得到：1)当温度在400℃～700℃区间时： δ = [ K 0 χ O 2 μρ c L H exp ( - E r R T ) t πnN f ] 1 2 - - - ( 4 ) ]]>2)当温度在700℃～900℃区间时： δ = [ μN c M c ρ c L H ( 4 λ ( T 1 / 2 - T 3 / 2 / T c ) ...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙志刚，陈西辉，宋迎东，
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