【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剩余刚度预测方法
本专利技术属于材料刚度预测
，特别涉及一种陶瓷基复合材料在应力氧化环境下剩余刚度预测方法。
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)具有耐高温、低密度、高比强、高比模等优异性能，目前已成为航空发动机热端部件的重要候选材料。由于热解碳与碳化硅纤维、基体的相容性较好，其作为界面相广泛应用于SiC/SiC材料。SiC/C/SiC材料目前主要应用于高温(>900℃)应力氧化环境。在该环境下，由于应力的存在基体会出现开裂，环境中的氧化性气体会通过基体裂纹进入材料内部与C界面、SiC纤维、基体等组分材料发生氧化反应，使得材料的刚度发生退化。快速有效的计算出单向SiC/SiC材料在应力氧化环境下的剩余刚度，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材料在应力氧化环境下的剩余刚度的技术主要有以下两种：文献“杨成鹏,矫桂琼,王波,杜龙.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(03):175-181.”基于2D-C/SiC无应力氧化实验的扫描电镜分析结果，建立分析材料刚度损伤的细观力学模型，根据纤维平均应变得到材料纵向和横向弹性模量，考虑纤维氧化导致材料有效承载面积减小，采用体积模量的方法可以预测900℃以下2D-C/SiC材料起始拉...
【技术保护点】
1.一种陶瓷基复合材料在应力氧化环境下剩余刚度预测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤(1)、确定单向SiC/SiC材料的基体裂纹数：考虑热残余应力，根据拉伸应力作用下基体承担的应力，确定基体中裂纹数随应力的变化；步骤(2)、确定裂纹宽度变化规律：考虑残余应力及单向SiC/SiC材料的基体所承担的应力，根据基体原始裂纹宽度，确定裂纹宽度随应力的变化趋势；步骤(3)、确定碳界面消耗长度和碳化硅纤维上氧化物厚度：建立单向SiC/SiC材料应力氧化模型，基于传质学理论，建立单向SiC/SiC材料应力‑氧化过程中两个阶段的氧化动力学方程，结合边界条件，求得氧气浓度场，进而得到考虑应力作用的碳界面消耗长度与碳化硅纤维在裂纹处氧化物厚度；步骤(4)、确定应力氧化后纤维拉伸模量：建立单向SiC/SiC材料的基体开裂特征体元，结合步骤(3)的结果，得到纤维氧化缺陷分布规律，确定氧化后剩余纤维相对整个氧化纤维的体积含量，从而获得氧化后纤维拉伸模量；步骤(5)、确定应力氧化过程中纤维的应力分布：考虑纤维氧化造成的界面消耗，得到纤维上的应力分布；步骤(6)、确定纤维特征强度分布：考虑纤维氧化造成的缺陷，基于...
【技术特征摘要】
1.一种陶瓷基复合材料在应力氧化环境下剩余刚度预测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤(1)、确定单向SiC/SiC材料的基体裂纹数：考虑热残余应力，根据拉伸应力作用下基体承担的应力，确定基体中裂纹数随应力的变化；步骤(2)、确定裂纹宽度变化规律：考虑残余应力及单向SiC/SiC材料的基体所承担的应力，根据基体原始裂纹宽度，确定裂纹宽度随应力的变化趋势；步骤(3)、确定碳界面消耗长度和碳化硅纤维上氧化物厚度：建立单向SiC/SiC材料应力氧化模型，基于传质学理论，建立单向SiC/SiC材料应力-氧化过程中两个阶段的氧化动力学方程，结合边界条件，求得氧气浓度场，进而得到考虑应力作用的碳界面消耗长度与碳化硅纤维在裂纹处氧化物厚度；步骤(4)、确定应力氧化后纤维拉伸模量：建立单向SiC/SiC材料的基体开裂特征体元，结合步骤(3)的结果，得到纤维氧化缺陷分布规律，确定氧化后剩余纤维相对整个氧化纤维的体积含量，从而获得氧化后纤维拉伸模量；步骤(5)、确定应力氧化过程中纤维的应力分布：考虑纤维氧化造成的界面消耗，得到纤维上的应力分布；步骤(6)、确定纤维特征强度分布：考虑纤维氧化造成的缺陷，基于步骤(3)得到的裂纹处氧化物厚度，得到纤维氧化直径减小后纤维特征强度的分布规律；步骤(7)、确定纤维断裂分数：结合步骤(5)所得纤维中的应力分布和步骤(6)所得纤维特征强度分布，计算应力氧化后纤维断裂分数；步骤(8)、确定重新加载应力后纤维应力分布：结合(7)所得纤维断裂分数，考虑卸载外应力后纤维中残余应力，基于界面摩擦模型得到重新加载应力后纤维应力分布规律；步骤(9)、确定单向SiC/SiC材料剩余刚度：结合步骤(4)所得纤维拉伸模量和步骤(8)所得重新加载应力后纤维应力分布，得到氧化后纤维在外力作用下的平均应变，计算单向SiC/SiC材料应力氧化后的剩余刚度。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剩余刚度预测方法，其特征在于，所述步骤(1)包括以下步骤：假设单向SiC/SiC材料在拉伸应力作用下单向SiC/SiC材料的基体失效服从泊松分布，则基体产生至少一条裂纹而失效的概率为：P(ξ＝σ,η＝Ls)＝1-exp{-M(A)}，N(A)≥1其中：式中，P(ξ,η)表示特征长度为Ls，应力为σ时的基体失效概率，M(A)为无量纲泊松参数，N(A)为应力作用下产生裂纹条数，σmc为基体的初始开裂应力，σR为特征应力，σth为残余热应力，m为威布尔模量；采用蒙特卡洛法可通过计算机编程，模拟应力作用下单向SiC/SiC材料基体中的裂纹数，为消除基体总长度的影响，选用裂纹密度ρc作为轴向应力的函数对基体表面的裂纹进行表征：式中，ρc为基体裂纹密度，n为裂纹数目。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剩余刚度预测方法，其特征在于：所述步骤(2)中，基体裂纹宽度可以表示为：式中，e表示温度为T、应力为σ时的裂纹宽度，e0表示初始裂纹宽度，T0为制备温度，ΔT为制备温度与当前温度之差，αf、αm分别表示纤维和基体热膨胀系数，Ef表示纤维初始弹性模量，Vm表示基体初始体积分数。4.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剩余刚度预测方法，其特征在于，所述步骤(3)中，建立两个氧化动力学方程为：微裂纹扩散阶段：界面扩散阶段：式中，y表示基体裂纹深度方向的坐标值，rt表示基体表面到纤维圆心的距离，hm(y,t)为在某一时刻t、某一基体裂纹深度y处SiO2层相对于壁面突出的厚度，d为裂纹宽度的一半，D1、D2分别表示氧气在微裂纹中扩散和界面处扩散的有效扩散系数，C0表示外界气体浓度，CO2表示扩散通道中氧气浓度，α表示扩散通道中CO与氧气摩尔通量之比，gm、gf分别为基体和纤维产生1molSiO2所需氧气的物质的量，ρs为SiO2的密度，Bf、Bm分别为纤维和基体与氧气反应的抛物线常数，pf、pm分别为纤维与基体同氧气反应指数，C*为1个标准大气压下纯氧的氧气浓度，Ms为SiO2的摩尔质量，z表示纤维轴向方向的坐标值，yf(t)、ym(t)分别为某一时刻t时纤维和基体上生成的SiO2厚度，rm、rf分别表示纤维中心到基体表面氧化层外表面的距离与纤维中心到纤维表面氧化层外表面的距离；其中：C0、C*均可由理想气体状态方程求得：式中，P为一个标准大气压，即0.1MPa，R为理想气体常数(R＝8.314J/(mol·K))，T为温度。所述步骤(3)中的边界条件分为3部分：第一部分：裂纹顶端(y＝0)，有：第二部分：界面氧化处(z＝lr)，有：第三部分：裂纹底部(y＝L,z＝0)，有：式...
【专利技术属性】
技术研发人员：孙志刚，熊严，陈西辉，李宏宇，宋迎东，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
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