一种陶瓷基复合材料在应力氧化环境下质量变化预测方法技术

本发明专利技术公开了一种陶瓷基复合材料在应力氧化环境下质量变化预测方法，包括确定材料在应力和高温作用下的基体裂纹数量的变化规律；确定材料在应力和高温作用下的基体裂纹宽度的变化规律；确定氧气在裂纹通道内的扩散系数；分别确定各组分的氧化速率；确定SiC纤维、基体反应前后的体积变化；确定材料在应力、高温氧化环境下的氧化动力学模型；确定裂纹扩散阶段和界面层扩展阶段的氧化动力学模型，确定氧化层变化规律和界面消耗规律；确定应力、高温环境下材料的质量变化规律；本发明专利技术方法考虑了应力与高温氧化对单向SiC/SiC复合材料的氧化机理的共同作用，为陶瓷基复合材料在应力氧化环境下的力学性能分析提供了相关理论支持。

A Prediction Method for Quality Change of Ceramic Matrix Composites under Stress Oxidation

【技术实现步骤摘要】
一种陶瓷基复合材料在应力氧化环境下质量变化预测方法
本专利技术属于材料质量变化预测
，特别涉及一种陶瓷基复合材料在应力氧化环境下质量变化预测方法。
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。在SiC/SiC材料服役过程中，其不仅受到氧化性气体(如氧气)的高温腐蚀，同时要承受一定的载荷。在载荷的作用下，SiC基体会出现许多裂纹，该裂纹会成为氧气进入材料内部的通道。在高温(>900℃)环境下,氧气的进入会造成界面、纤维、基体等组分材料的氧化损伤，进而引起材料的形貌及质量发生改变。快速有效的计算出单向SiC/SiC材料在应力氧化环境下的质量变化，能够为材料服役过程中的损伤检测、寿命评估提供重要的理论依据，并为材料在应力氧化环境下的可靠性设计提供必备的技术支持。目前，对于确定单向SiC/SiC材料在应力氧化环境下质量变化的技术主要有以下两种：专利CN105631148A“应力氧化环境下单向陶瓷基复合材料力学性能分析方法”基于裂纹个数、宽度随应力的变化规律和单向C/SiC材料在400-900℃环境下的氧化机理，确定了应力氧化环境下单向C/SiC材料的质量失重率。但是由于SiC/SiC材料和C/SiC材料的氧化机理存在明显差异，该方法不能适用于SiC/SiC材料体系。另外，由于SiC组分在900℃以上会开始发生氧化，该方法不适用于900℃以上的质量变化预测。因此，该方法无法准确预测单向SiC/SiC材料在高温(>900℃)环境下的质量变化。文献“OxidationMechanismsandKineticsof1D-SiC/C/SiCCompositeMaterials:II,Modeling.J.am.cream.soc,1994.77(2):p.467-480.”公开了一种通过理论模拟单向SiC/SiC材料在无应力氧化环境下质量变化的测试方法，该方法基于热解碳与SiC纤维、基体在高温(>900℃)环境下的化学反应方程，和传质学的二元扩散理论，对氧化不同时间后的材料形貌和质量变化进行了预测。但该方法仅适用于无应力氧化环境下的质量变化预测，不能用于应力氧化环境下SiC/SiC材料的质量变化预测。此外，该方法只考虑垂直纤维方向横截面处的氧化，不考虑基体裂纹的存在对组分氧化的影响。因此，该方法无法准确预测单向SiC/SiC材料在应力氧化环境下的质量变化。综上所述，有必要提供一种简单有效、能够准确预测单向SiC/SiC材料在应力氧化环境下的质量变化预测方法。
技术实现思路
本专利技术针对上述现有技术的不足，提供了一种陶瓷基复合材料在应力氧化环境下质量变化预测方法，以解决现有技术中对单向SiC/SiC材料质量变化的分析未考虑应力和高温(>900℃)氧化的共同作用的问题。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种陶瓷基复合材料在应力氧化环境下质量变化预测方法，包括以下步骤：步骤一：确定材料在应力和高温作用下的基体裂纹数量的变化规律；步骤二：确定材料在应力和高温作用下的基体裂纹宽度的变化规律；步骤三：基于传质学的二元扩散理论，确定氧气在裂纹通道内的扩散系数；步骤四：基于C界面、SiC纤维、基体在高温氧气环境下的氧化机理，分别确定各组分的氧化速率；步骤五：基于反应前后物质变化，确定SiC纤维、基体反应前后的体积变化；步骤六：基于步骤三、四的结果，确定单向SiC/SiC材料在应力、高温氧化环境下的氧化动力学模型；步骤七：基于步骤二、六的结果，确定裂纹扩散阶段和界面层扩展阶段的氧化动力学模型，进而确定氧化层变化规律和界面消耗规律；步骤八：基于步骤一、五、七的结果，确定应力、高温环境下的单向SiC/SiC材料的质量变化规律。进一步的，所述步骤一包括以下步骤：根据蒙特卡罗法，假设基体的失效概率服从泊松分布，在单轴拉伸应力作用下，长度Ls的复合材料上产生n条裂纹的概率P为：P(ξ＝σ,η＝Ls)＝1-exp{-M(A)},N(A)≥1式中，ξ为应力值，η为基体长度值，σ为施加的轴向应力，Ls为复合材料的基体长度，M(A)为泊松参数，N(A)表征应力作用下产生的裂纹条数，m为威布尔参数，也叫形状参数；σR、δR分别为特征应力和对应的特征界面滑移长度，σth表征复合材料中的热残余应力，σmc为基体的初始开裂应力；为消除基体总长度的影响，选用裂纹密度ρcrack作为轴向应力的函数对基体表面的裂纹进行表征：式中：n为裂纹数目，由蒙特卡洛计算方法得到。进一步的，所述步骤二包括以下步骤：基体在应力和高温条件下分别受到轴向拉应力σm和热残余应力σth：式中，Em、Ef分别为基体和纤维的弹性模量，αm、αf分别为基体和纤维的热膨胀系数，Vm、Vf分别为基体和纤维的体积分数，ΔT表征制备温度和当前温度的温差；在不考虑外加应力时，得到基体裂纹宽度与温度的关系为：式中，T为环境温度，T0为材料的制备温度，e为裂纹在温度T下的宽度，e0为常温时的裂纹宽度；得到基体裂纹宽度与热残余应力的关系：在考虑外加轴向应力时，以总应力项σm+σth代替上式热残余应力，得到裂纹宽度与应力、温度的关系：其中：ΔT表征制备温度和当前温度的温差。进一步的，所述步骤三包括以下步骤：根据传质学的二元扩散理论，在假设氧化气体产物为CO的前提下，得到氧气在裂纹中的扩散通量为：式中，y为沿裂纹深度方向的坐标值，NCO表示氧气O2和一氧化碳CO相对于固定坐标y轴的扩散通量，C0为该体系中总的物质的量浓度；表示氧气在裂纹通道中的扩散系数；表示O2的摩尔分数，其物理意义为O2的物质的量浓度和总物质的量浓度之比，即由于基体裂纹的尺寸与分子的大小关系，氧气在裂纹通道内的扩散属于过渡扩散，即包括分子扩散和Knudsen扩散，得到扩散系数的表达式：式中，DAB为分子扩散系数，DKA为O2在特征尺寸为e的缺陷中扩散的Knudsen扩散系数，e由步骤二确定，其计算公式如下给出：式中，Pair为环境压强，(Σv)CO分别为O2、CO的扩散体积，为混合气体的摩尔质量，MCO分别为O2、CO的摩尔质量，R为理想气体常数，π为圆周率。进一步的，所述步骤四包括以下步骤：根据C的氧化机理，得到C界面的氧化速率RC：式中，KC为C的反应速率常数，k0为表征反应速率的常数，EC为该反应的C的活化能，为O2的物质的量浓度；根据SiC的氧化机理，由Deal-Grove模型和亨利定律，得到SiC基体、纤维的氧化速率：式中，K为亨利常数，是仅为温度相关的函数，为外界氧分压，N1则是指形成单位体积SiO2所需要的氧化剂分子数；SiC基体、纤维的氧化速率B的值常由试验确定，根据其随温度的变化规律，得到B随氧气浓度变化的修正公式：式中，B*和C*分别表示100kPa纯氧环境下的SiC基体、纤维的氧化速率和氧气浓度，p为反应指数。进一步的，所述步骤五包本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种陶瓷基复合材料在应力氧化环境下质量变化预测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：确定材料在应力和高温作用下的基体裂纹数量的变化规律；步骤二：确定材料在应力和高温作用下的基体裂纹宽度的变化规律；步骤三：基于传质学的二元扩散理论，确定氧气在裂纹通道内的扩散系数；步骤四：基于C界面、SiC纤维、基体在高温氧气环境下的氧化机理，分别确定各组分的氧化速率；步骤五：基于反应前后物质变化，确定SiC纤维、基体反应前后的体积变化；步骤六：基于步骤三、四的结果，确定单向SiC/SiC材料在应力、高温氧化环境下的氧化动力学模型；步骤七：基于步骤二、六的结果，确定裂纹扩散阶段和界面层扩展阶段的氧化动力学模型，进而确定氧化层变化规律和界面消耗规律；步骤八：基于步骤一、五、七的结果，确定应力、高温环境下的单向SiC/SiC材料的质量变化规律。

【技术特征摘要】
1.一种陶瓷基复合材料在应力氧化环境下质量变化预测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：确定材料在应力和高温作用下的基体裂纹数量的变化规律；步骤二：确定材料在应力和高温作用下的基体裂纹宽度的变化规律；步骤三：基于传质学的二元扩散理论，确定氧气在裂纹通道内的扩散系数；步骤四：基于C界面、SiC纤维、基体在高温氧气环境下的氧化机理，分别确定各组分的氧化速率；步骤五：基于反应前后物质变化，确定SiC纤维、基体反应前后的体积变化；步骤六：基于步骤三、四的结果，确定单向SiC/SiC材料在应力、高温氧化环境下的氧化动力学模型；步骤七：基于步骤二、六的结果，确定裂纹扩散阶段和界面层扩展阶段的氧化动力学模型，进而确定氧化层变化规律和界面消耗规律；步骤八：基于步骤一、五、七的结果，确定应力、高温环境下的单向SiC/SiC材料的质量变化规律。2.根据权利要求1所述的陶瓷基复合材料在应力氧化环境下质量变化预测方法，其特征在于：所述步骤一包括以下步骤：根据蒙特卡罗法，假设基体的失效概率服从泊松分布，在单轴拉伸应力作用下，长度Ls的复合材料上产生n条裂纹的概率P为：P(ξ＝σ,η＝Ls)＝1-exp{-M(A)},N(A)≥1式中，ξ为应力值，η为基体长度值，σ为施加的轴向应力，Ls为复合材料的基体长度，M(A)为泊松参数，N(A)表征应力作用下产生的裂纹条数，m为威布尔参数，也叫形状参数；σR、δR分别为特征应力和对应的特征界面滑移长度，σth表征复合材料中的热残余应力，σmc为基体的初始开裂应力；为消除基体总长度的影响，选用裂纹密度ρcrack作为轴向应力的函数对基体表面的裂纹进行表征：式中：n为裂纹数目，由蒙特卡洛计算方法得到。3.根据权利要求1所述的陶瓷基复合材料在应力氧化环境下质量变化预测方法，其特征在于：所述步骤二包括以下步骤：基体在应力和高温条件下分别受到轴向拉应力σm和热残余应力σth：式中，Em、Ef分别为基体和纤维的弹性模量，αm、αf分别为基体和纤维的热膨胀系数，Vm、Vf分别为基体和纤维的体积分数，ΔT表征制备温度和当前温度的温差；在不考虑外加应力时，得到基体裂纹宽度与温度的关系为：式中，T为环境温度，T0为材料的制备温度，e为裂纹在温度T下的宽度，e0为常温时的裂纹宽度；得到基体裂纹宽度与热残余应力的关系：在考虑外加轴向应力时，以总应力项σm+σth代替上式热残余应力，得到裂纹宽度与应力、温度的关系：其中：ΔT表征制备温度和当前温度的温差。4.根据权利要求3所述的陶瓷基复合材料在应力氧化环境下质量变化预测方法，其特征在于：所述步骤三包括以下步骤：根据传质学的二元扩散理论，在假设氧化气体产物为CO的前提下，得到氧气在裂纹中的扩散通量为：式中，y为沿裂纹深度方向的坐标值，NCO表示氧气O2和一氧化碳CO相对于固定坐标y轴的扩散通量，C0为该体系中总的物质的量浓度；表示氧气在裂纹通道中的扩散系数；表示O2的摩尔分数，其物理意义为O2的物质的量浓度和总物质的量浓度之比，即由于基体裂纹的尺寸与分子的大小关系，氧气在裂纹通道内的扩散属于过渡扩散，即包括分子扩散和Knudsen扩散，得到扩散系数的表达式：式中，DAB为分子扩散系数，DKA为O2在特征尺寸为e的缺陷中扩散的Knudsen扩散系数，e由步骤二确定，其计算公式如下给出：式中，Pair为环境压强，(Σv)CO分别为O2、CO的扩散体积，为混合气体的摩尔质量，MCO分别为O2、CO的摩尔质量，R为理想气体常数，π为圆周率。5.根据权利要求1所述的陶瓷基复合材料在应力氧化环境下质量变化预测方法，其特征在于：所述步骤四包括以下步骤：根据C的氧化机理，得到C界面的氧化速率RC：式中，KC为C的反应速率常数，k0为表征反应速率的常数，EC为该反应的C的活化能，为O2的物质的量浓度；根据SiC的氧化机理，由Deal-Grove模型和亨利定律，得到SiC基体、纤维的氧化速率：式中...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙志刚，陈鹏，陈西辉，宋迎东，李宏宇，牛序铭，
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