基于微孔隙增量表征CMCs在高温长时时效诱发的损伤的方法技术

本发明专利技术涉及陶瓷基复合材料结构损伤评估技术领域，公开了基于微孔隙增量表征CMCs在高温长时时效诱发的损伤的方法，具体步骤包括：S1：定义材料相对孔隙率增量Δζ；S2：定义CMCs的压缩强度退化函数；S3：基于压缩强度退化函数得到CMCs由高温长时时效诱发的损伤；S4：建立孔隙率与材料在相应的状态下压缩强度的关系，得到高温长时时效诱发CMCs的损伤与材料相应状态下微孔隙的孔隙率增量之间的关系。本发明专利技术提供的基于微孔隙增量表征CMCs在高温长时时效诱发的损伤的方法能够很好地预测高温长时时效诱发CMCs的损伤。

A method to characterize the damage of CMCs induced by high temperature and long time aging based on the increment of micropores

【技术实现步骤摘要】
基于微孔隙增量表征CMCs在高温长时时效诱发的损伤的方法
本专利技术涉及陶瓷基复合材料结构损伤评估
，尤其涉及基于微孔隙增量表征CMCs在高温长时时效诱发的损伤的方法。
技术介绍
陶瓷基复合材料(Ceramic-MatrixComposites,CMCs)是一种轻质结构材料，其能在高温、氧化、疲劳、蠕变等状况下保持良好的性能而备受关注，因此，高速飞行器的热防护系统、涡轮发动机的火焰筒、涡轮导向叶片、涡轮外环、隔热屏和火焰稳定器等关键热端部件都可利用CMCs，这些应用对航空航天工程非常重要。CMCs承热构件所服役的环境相当恶劣，除经受热机载荷外，还要承受高速气体产生的气动冲击载荷。当高温复合材料结构在高温环境下工作时，长时间暴露在高温下(高温时效)导致的热机械损伤，此损伤会引起材料微观结构、力学性能的改变。因此，定量表征和描述CMCs在长时高温时效作用下的损伤，对CMCs结构损伤的评估与预测对于CMCs结构件设计、复合材料许用值确定、寿命预测具有重大意义。现有技术中，由于高温时效均涉及到高温实验测试，受实验室测试手段的限制，目前只能对经历了高温长时时效处理后的试样进行有限地分析而无法进行实时微观观测，缺乏对材料在高温时效作用下的微结构损伤演化机制的了解，对材料在高温时效作用下的微观结构演化与其相应状态宏观力学性能之间的相关性更是没有现成的经验与知识。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术的目的在于提供一种基于微孔隙增量表征CMCs在高温长时时效诱发的损伤的方法，其能够很好地预测高温长时时效诱发CMCs的损伤。基于微孔隙增量表征CMCs在高温长时时效诱发的损伤的方法，包括以下步骤：S1：定义材料相对孔隙率增量Δζ；S2：定义CMCs的压缩强度退化函数；S3：基于压缩强度退化函数得到CMCs由高温长时时效诱发的损伤；S4：建立孔隙率与材料在相应的状态下压缩强度的关系，得到高温长时时效诱发CMCs的损伤与材料相应状态下微孔隙的孔隙率增量之间的关系。在一些实施方式中，在S1之前还包括S10：通过实验模拟进行高温长时时效处理，具体包括：S101：将CMCs试样暴露在Taging的等温高温环境中；S102：试样在Taging的等温高温环境下时效处理100小时至500小时；S103：通过SEM对试样的微观结构进行表征，并采用压缩试验测量CMCs的压缩强度。在一些实施方式中，使用压汞法测试在时效温度Taging＝1200℃下材料的孔隙率。在一些实施方式中，S1包括：定义相对孔隙率：式中，为当前材料的孔隙率，ζ0为原始材料所具有的初始孔隙率，Δζ为材料的孔隙率的增量。在一些实施方式中，由于基体微裂纹是不可逆的，因此，微孔隙的孔隙率增量Δζ随高温时效时间t的关系，可由指数函数近似为：Δζ＝αζ0[exp(-ξt)-1](2)式(2)中，α和ξ是拟合参数。通过采用上述技术方案，可以得到：CMCs的相对孔隙率ζ0随着高温时效时间t的增加而逐渐减小，最终达到饱和稳定状态，以此可知，高温长时时效使得CMCs的弹性模量略微增大，因此，高温长时时效诱发的CMCs的损伤并不能由弹性模量的降低来表征。在一些实施方式中，在S1和S2之间还包括S20：采用指数函数定义高温长时时效诱发CMCs损伤DTA：其中t为高温时效时间，为材料最终失效时的损伤值，ξ是拟合参数。在一些实施方式中，S2具体为：基于S103确定材料压缩强度的退化随着高温时效时长的增加而降低，并渐近趋向于稳定饱和状态，进一步增长时效时间其强度也不会下降，因此，将CMCs的压缩强度退化函数定义为：在一些实施方式中，S3基于压缩强度退化函数得到CMCs由高温长时时效诱发的损伤可写为：在一些实施方式中，S4包括：S41：根据材料力学性能与其相应状态下的孔隙率之间的幂函数模型，选取CMCs的压缩强度作为表征高温长时时效诱发材料力学性能退化的参量，建立孔隙率与材料在相应的状态下压缩强度的关系为：式中，指数q是由实验数据拟合得到的模型参数，联立式(7)和式(8)，高温长时时效诱发CMCs的损伤演化可由材料相应状态下微孔隙的孔隙率增量来表示，在一些实施方式中，S4还包括：S42：联立式(2)和式(7)可知，由高温长时时效诱发的损伤演化可由材料相应状态下孔隙率的增量表示：综上所述，与现有技术相比，本专利技术提供的基于微孔隙增量表征CMCs在高温长时时效诱发的损伤的方法的有益技术效果为：1.通过高温长时时效状态下微孔隙的孔隙率增量表征高温长时时效诱发CMCs的损伤，能够很好地预测高温长时时效诱发CMCs的损伤，揭示了材料在高温时效作用下的微结构损伤演化机制的了解；2.本专利技术提供的技术方案确定了在长时高温时效作用下材料的微观结构演化与其相应状态下的宏观力学性能之间的相关性；3.本专利技术提供的技术方案潜在应用是在对高温复合材料在热/力/氧耦合环境下的损伤容限设计和结构完整性评价提供了新的解决思路：对于多孔隙的CMCs，可以通过测试其开孔孔隙率，来简单评价材料的力学性能，以便快速准确地给出材料的设计方案/材料结构件的修补方案。附图说明图1(a)为原始CMCs孔隙率与孔径分布以及通过压汞法测定高温长时时效处理的CMCs孔隙率及孔径分布图；图1(b)为原始CMCs累积孔隙率与孔径分布以及通过压汞法测定高温长时时效处理的CMCs累积孔隙率及孔径分布图；图2(a)为CMCs在高温长时时效下的基体烧结微观结构图；图2(b)为CMCs在高温长时时效下的纤维/基体界面桥接强化后的结构图；图3为CMCs经历高温时效处理后相对孔隙率增量和时效时间t之间的关系图；图4(a)为CMCs在高温长时时效下材料压缩强度随高温长时时效时长的退化曲线图；图4(b)为CMCs在高温长时时效诱发损伤随高温长时时效时长的演化曲线图；图5为CMCs在高温长时时效诱发损伤与材料微孔隙的孔隙率增量Δζ之间的关系图。具体实施方式以下结合附图及具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明。基于微孔隙增量表征CMCs在高温长时时效诱发的损伤，重点考虑高温长时时效对材料结构的力学性能的影响，考察材料力学性能与高温时效时间之间的相关性。首先通过实验模拟进行高温长时时效处理，具体步骤为：实施例1：S101：将CMCs试样等温暴露在1200℃的高温环境中，以模拟材料的真实服役环境。至于在服役过程中可能出现的过温(ThermalOverload)等极端环境问题，在此不考虑，确定高温长时时效问题中的温度变量Taging为恒定值。S102：试样在Taging＝1200℃下时效处理100小时至500小时，在本专利技术此实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于微孔隙增量表征CMCs在高温长时时效诱发的损伤的方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1：定义材料相对孔隙率增量Δζ；/nS2：定义CMCs的压缩强度退化函数；/nS3：基于压缩强度退化函数得到CMCs由高温长时时效诱发的损伤；/nS4：建立孔隙率与材料在相应的状态下压缩强度的关系，得到高温长时时效诱发CMCs的损伤与材料相应状态下微孔隙的孔隙率增量之间的关系。/n

【技术特征摘要】
1.基于微孔隙增量表征CMCs在高温长时时效诱发的损伤的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：定义材料相对孔隙率增量Δζ；
S2：定义CMCs的压缩强度退化函数；
S3：基于压缩强度退化函数得到CMCs由高温长时时效诱发的损伤；
S4：建立孔隙率与材料在相应的状态下压缩强度的关系，得到高温长时时效诱发CMCs的损伤与材料相应状态下微孔隙的孔隙率增量之间的关系。


2.根据权利要求1所述的基于微孔隙增量表征CMCs在高温长时时效诱发的损伤的方法，其特征在于，在S1之前还包括S10：通过实验模拟进行高温长时时效处理，具体包括：
S101：将CMCs试样暴露在Taging的等温高温环境中；
S102：试样在Taging的等温高温环境下时效处理100小时至500小时；
S103：通过SEM对试样的微观结构进行表征，并采用标准的压缩试验测量CMCs的压缩强度。


3.根据权利要求2所述的基于微孔隙增量表征CMCs在高温长时时效诱发的损伤的方法，其特征在于，使用压汞法测试在时效温度Taging＝1200℃下材料的孔隙率。


4.根据权利要求2所述的基于微孔隙增量表征CMCs在高温长时时效诱发的损伤的方法，其特征在于，S1包括：
定义相对孔隙率：



式中，为当前材料的孔隙率，ζ0为原始材料所具有的初始孔隙率，Δζ为材料的孔隙率的增量。


5.根据权利要求4所述的基于微孔隙增量表征CMCs在高温长时时效诱发的损伤的方法，其特征在于，由于基体微裂纹是不可逆的，因此，微孔隙的孔隙率增量Δζ随高温时效时间t的关系，可由指数函数近似为：
Δζ＝αζ0[exp(-ξt)-1](2)
式(2)中，α和ξ是拟合参数。

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【专利技术属性】
技术研发人员：杨正茂，闫涵，龙丽平，
申请(专利权)人：中国科学院力学研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11