一种陶瓷基复合材料在高温应力环境下剩余刚度计算方法技术

本发明专利技术提出一种陶瓷基复合材料在高温应力环境下剩余刚度计算方法，能够有效预测高温应力氧化环境下单向C/SiC复合材料剩余刚度。本发明专利技术能从微观角度有效反应纤维形貌变化规律，从而准确预测材料宏观性质。本发明专利技术考虑了应力与高温（900‑1200℃）氧化对单向C/SiC复合材料的氧化机理的共同作用，为陶瓷基复合材料结构设计和寿命分析提供了相关理论支持。本发明专利技术考虑了单根纤维的非均匀氧化和整体纤维的非均匀氧化过程，以及基体的氧化对材料刚度的影响，更符合实际氧化情况，能够更加准确地预测单向C/SiC复合材料的剩余刚度。

A method for calculating the residual stiffness of ceramic matrix composites under high temperature stress

【技术实现步骤摘要】
一种陶瓷基复合材料在高温应力环境下剩余刚度计算方法
本专利技术涉及一种陶瓷基复合材料在高温应力环境下的剩余刚度计算方法，具体涉及一种单向碳纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料在高温(900-1200℃)应力环境下剩余刚度计算方法。
技术介绍
碳纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料(Continuouscarbonfiberreinforcedsiliconcarbidecomposites，以下简称C/SiC)是航空发动机热端部件的新型高温结构材料，其具备高比强度、比刚度等特性，能有效的实现热端部件的减重。然而C/SiC制成的热端部件在服役过程中会受到氧化性气体以及载荷的共同作用，使得其力学性能大大降低，从而危机复合材料构件的安全性和可靠性。因此有必要建立一种能有效预测C/SiC材料在高温应力环境下剩余刚度的方法，有效预测结构使用寿命，及时避免意外的发生。现有技术中：文献“BudianskyB，HutchinsonJW，EvansAG.Matrixfractureinfiber-reinforcedceramics[J].JournaloftheMechanicsandPhysicsofSolids本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种陶瓷基复合材料在高温应力环境下剩余刚度计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：基于高温环境下复合材料氧化动力学模型，确定材料内部氧气浓度变化规律；步骤二：根据步骤一得到氧气浓度变化规律，结合高温氧化环境下的纤维缺口模型，得到纤维缺口半径随氧化时间的变化规律，并进一步确定氧化过程中纤维拉伸强度变化规律；步骤三：根据剪滞模型，确定氧化前纤维应力分布，并结合Curtin拉伸强度理论，确定氧化前材料拉伸强度模型；步骤四：根据纤维正方规则分布规律和单胞尺寸，确定氧化过程中纤维氧化层数及纤维断裂比例；步骤五：基于步骤三和步骤四的结果，确定氧化过程中纤维拉伸断裂概率和纤维应力分布；步骤六：基于步...

【技术特征摘要】
1.一种陶瓷基复合材料在高温应力环境下剩余刚度计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：基于高温环境下复合材料氧化动力学模型，确定材料内部氧气浓度变化规律；步骤二：根据步骤一得到氧气浓度变化规律，结合高温氧化环境下的纤维缺口模型，得到纤维缺口半径随氧化时间的变化规律，并进一步确定氧化过程中纤维拉伸强度变化规律；步骤三：根据剪滞模型，确定氧化前纤维应力分布，并结合Curtin拉伸强度理论，确定氧化前材料拉伸强度模型；步骤四：根据纤维正方规则分布规律和单胞尺寸，确定氧化过程中纤维氧化层数及纤维断裂比例；步骤五：基于步骤三和步骤四的结果，确定氧化过程中纤维拉伸断裂概率和纤维应力分布；步骤六：基于步骤二和步骤五的结果，确定每层纤维氧化断裂时间的变化规律；步骤七：基于步骤五和步骤六的结果，确定氧化过程中的材料拉伸刚度变化规律。2.如权利要求1所述的一种陶瓷基复合材料在高温应力环境下剩余刚度计算方法，其特征在于：步骤一具体如下：基于高温环境下C/SiC复合材料的氧化动力学模型：边界条件为：由此得到裂纹底端材料内部氧气浓度变化规律，即氧气浓度随温度、应力的变化关系；式(1)中，y为沿基体裂纹深度方向的坐标值，为氧气在y处的扩散系数，为氧气在y处的摩尔分数，e(y)为y处的裂纹宽度，为y处的氧气浓度，为二氧化硅(SiO2)的密度，B(y)为y处的抛物线速率常数，δ(y)为y处的SiO2层厚度，为SiO2的摩尔质量；式(2)中，Cc为裂纹通道入口处的氧气浓度，计算公式为为外部环境中氧气的摩尔分数，P为环境压强，R为气体常数，T为环境温度；KC为C相的氧化速率，计算公式为KC＝k0exp(-Er/RT)，其中k0为C的反应速率常数，Er为C相的反应活化能；L为基体涂层厚度，为氧气在基体裂纹深度方向最大值处的扩散系数，为氧气在基体裂纹深度方向最大值处的摩尔分数，为基体裂纹深度方向最大值处的氧气浓度，C0为标准大气压下纯氧环境下氧气浓度，计算公式为MC为C的摩尔质量。3.如权利要求2所述的一种陶瓷基复合材料在高温应力环境下剩余刚度计算方法，其特征在于：步骤二具体如下：基于高温氧化环境下的纤维缺口模型，结合步骤一得到的材料内部氧气浓度变化规律，得到纤维缺口半径随氧化时间的变化规律：式(3)中，t为氧化时间，ts为界面氧化临界时间，RadI为界面段的临界角度值，在ts之前，只氧化热解碳界面部分，θ为纤维氧化方向与x轴的夹角，r为氧化半径，为界面层的氧化速率，为纤维外层的氧化速率，ρC为C相的密度，hI为界面层厚度，Rf0为完好纤维半径，π为圆周率；基于线弹性断裂力学理论，假设纤维断裂韧性保持不变，得到氧化过程中纤维拉伸强度变化规律，即纤维拉伸强度随缺陷深度的变化关系：式(4)中，是纤维的拉伸强度；勾氧化前完好纤维拉伸强度，af表示缺陷深度；af0为临界缺陷深度，af0的计算公式为：式(5)中，KIC表示的是临界应力拉伸强度因子；Y是与材料几何形状相关的参数；为完好纤维的拉伸强度；由式(3)得到的纤维缺口半径，确定缺陷深度最大即处纤维缺陷深度随时间的变化关系：式(6)中，af为纤维最小截面即处的纤维缺陷深度。4.如权利要求3所述的一种陶瓷基复合材料在高温应力环境下剩余刚度计算方法，其特征在于：步骤三具体如下：根据剪滞模型，确定氧化前纤维应力分布：由于裂纹宽度远小于脱粘长度，忽略裂纹开口段上的纤维应力分布，认为每根纤维上的应力分布情况相同；当裂纹间距较大，即时，纤维上存在脱粘区和粘接区，任意一根纤维上应力分布为：式(7)中，F为纤维完好状态下在开裂平面承受应力，τi为界面剪应力，ld为界面脱粘长度，ls为理论纤维滑移长度，即在开裂平面，纤维承受载荷从最大应力F降到0时的纤维滑移长度，为由蒙特卡洛模拟得到的平均裂纹间距，σ0为粘接区纤维应力，在不考虑热残余应变时，其计算公式为：式(8)中，σ为外加轴向应力，Ef为纤维弹性模量、Em为基体弹性模量，Vm为基体体积分数，Vf为纤维体积分数；式(7)中，当处...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙志刚，陈壮壮，陈鹏，宋迎东，陈西辉，熊严，
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