一种陶瓷基复合材料热解碳PyC界面模型建立及剪切强度预测方法技术

本发明专利技术公开了一种陶瓷基复合材料热解碳PyC界面模型建立及剪切强度预测方法，基于陶瓷基复合材料PyC界面实际微观结构的观测结果，计算出PyC界面有序类石墨层单元的碳层间距、碳层堆积高度和碳层尺寸，建立了短程有序碳层和无定形自由碳并存的PyC界面三维乱层结构模型，结合陶瓷基复合材料纤维和基体结构模型，采用分子动力学方法模拟了陶瓷基复合材料纤维推入试验过程，准确预测出PyC界面剪切过程的应力

【技术实现步骤摘要】
一种陶瓷基复合材料热解碳PyC界面模型建立及剪切强度预测方法


[0001]本专利技术属于复合材料
，特别涉及一种陶瓷基复合材料热解碳PyC界面模型建立及剪切强度预测方法。

技术介绍

[0002]陶瓷基复合材料(Ceramic Matrix Composites,CMCs)具有耐高温、低密度、高比强、高比模等优异性能，在航空发动机燃烧室、涡轮和尾喷管等热端部件上有着广泛的应用前景。
[0003]界面的性能对复合材料的增韧机理非常重要，对复合材料的力学性能如强度、刚度，应力应变行为和失效模式有很大影响。目前，陶瓷基复合材料中存在多种界面材料。热解碳(PyC)界面由于其在性能和微观结构上的强各向异性以及在制备过程中保护纤维的作用，被认为是CMCs的绝佳界面材料。准确有效的预测PyC界面的剪切强度，能够为之后陶瓷基复合材料力学性能计算和应力应变行为模拟提供重要的材料参数，为材料本构模型的建立提供重要的技术支撑。
[0004]文献“Influence of surface fibre properties and textural organization of a PyC interphase interphase on the interfacial shear stress of SiC/SiC minicomposites reinforced with Hi
‑
Nicalon S and Tyranno SA3fibers”使用单纤维推出法测试复合材料的界面剪切强度，但该方法需要使用纳米压痕仪，并且样品制备困难，导致可行性较低。
[0005]文献“Influence of interface characteristics on the mechanical properties of Hi
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Nicalon type
‑
S or Tyranno
‑
SA3 fiber
‑
reinforced SiC/SiC minicomposites”通过统计陶瓷基复合材料拉伸试验后表面的裂纹数量和饱和裂纹间距计算复合材料的界面剪切强度，但统计过程中存在一些主观因素，导致界面强度计算不准确。文献“Microcomposite Test Procedure for Evaluating the Interface Properties of Ceramic Matrix Composites”推导了陶瓷基复合材料界面剪切强度和加卸载迟滞环宽度、裂纹数的公式，此方法作为一种间接方法，所需材料参数较多，裂纹数量统计受观测手段和主观影响，实际应用中可靠性不高。
[0006]以上方法仅能从宏观上得到PyC界面的剪切强度，未能将材料微观结构和宏观性能联系起来，分子动力学模拟能在原子水平上对PyC界面的剪切行为进行充分描述，是计算界面剪切强度的一种很好的方法。
[0007]文献“The evolution of mechanical and structural properties at the fiber/matrix interphase of SiC/SiC composites”采用分子动力学模拟计算了纤维增强陶瓷基复合材料PyC界面在不同温度下的界面剪切强度，但文中PyC界面模型建立在透射电子显微镜(TEM)观察到的二维结构基础上，不能反映界面实际结构，剪切过程的破坏模式也只考虑了PyC界面与纤维之间的脱粘，忽略了PyC界面结构的破坏，导致界面剪切强度计
算不准确。文献“Investigation on Cf/PyC Interfacial Properties of C/C Composites by the Molecular Dynamics Simulation Method”模拟了C/C复合材料中PyC界面在切向拉伸载荷下的力学性能，然而文中模型只针对C纤维与PyC界面接触位置，并且忽略剪切载荷下PyC界面相内部结构的变化规律，因此不能准确计算界面的剪切强度。
[0008]因此，有必要提供一种能够准确预测陶瓷基复合材料热解碳PyC界面剪切强度的分子动力学方法。

技术实现思路

[0009]本专利技术提供一种陶瓷基复合材料热解碳PyC界面模型建立及剪切强度预测方法，以解决现有技术不能准确计算陶瓷基复合材料热解碳PyC界面剪切强度的问题。
[0010]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0011]一种陶瓷基复合材料热解碳PyC界面模型建立及剪切强度预测方法，包括以下步骤：
[0012]步骤(1)、建立PyC界面有序石墨层单元模型：根据PyC界面层微观结构观测结果，计算碳层间距、碳层的堆叠高度、碳层的大小和碳层的有序度，根据界面结构参数建立有序类石墨层单元；
[0013]步骤(2)、建立PyC界面三维无序结构模型：考虑PyC界面中无定形自由碳和有序碳层并存的实际结构，将短程有序石墨层单元随机组合形成乱层的PyC界面层，然后填充无定形碳直至达到PyC界面层实际密度，建立与观测结果一致的三维PyC界面模型；
[0014]步骤(3)、建立陶瓷基复合材料分子动力学模型：在分子动力学模拟软件Materials Studio中建立纤维和基体结构模型，按基体/PyC界面层/纤维的顺序组合成初始模型，根据陶瓷基复合材料的制备过程，对初始模型进行弛豫，建立陶瓷基复合材料最终分子动力学模型；
[0015]步骤(4)、模拟陶瓷基复合材料界面剪切过程：采用势函数模拟原子间相互作用，基于纤维推入试验过程，给纤维外侧原子层施加位移载荷，固定基体底部原子层沿位移方向坐标，给定模型边界条件，推动纤维整体移动，直至界面完全脱粘，记录模型的剪切应力
‑
应变曲线，剪切应力
‑
应变曲线的最高点所对应的应力值即为PyC界面的剪切强度。
[0016]进一步的，所述步骤(1)的具体步骤如下：
[0017]利用X射线衍射XRD和拉曼光谱Raman观测PyC界面微观结构，根据XRD谱图和Raman谱图计算有序石墨层单元结构参数，计算公式如下：
[0018][0019][0020][0021][0022]其中，d
002
为碳层间距，λ1为XRD入射光波长，θ为XRD谱图碳峰衍射峰方位角，L
c
为碳层堆积高度，κ为经验参数，此处取值为0.9，β为XRD谱图碳峰半高宽，R为PyC界面的无序度，I
D
是Raman谱图石墨D峰强度，I
G
是Raman谱图石墨G峰强度，L
a
是石墨碳层微晶宽度，C为经验参数，此处取值4.4；
[0023]根据计算得到的PyC界面有序石墨层单元的碳层间距、碳层堆积高度和碳层尺寸，在分子动力学模拟软件Materials Studio(MS)的建模模块中建立有序石墨层单元。
[0024]进一步的，所述步骤(2)的具体步骤本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种陶瓷基复合材料热解碳PyC界面模型建立及剪切强度预测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤(1)、建立PyC界面有序石墨层单元模型：根据PyC界面层微观结构观测结果，计算碳层间距、碳层的堆叠高度、碳层的大小和碳层的有序度，根据界面结构参数建立有序类石墨层单元；步骤(2)、建立PyC界面三维无序结构模型：考虑PyC界面中无定形自由碳和有序碳层并存的实际结构，将短程有序石墨层单元随机组合形成乱层的PyC界面层，然后填充无定形碳直至达到PyC界面层实际密度，建立与观测结果一致的三维PyC界面模型；步骤(3)、建立陶瓷基复合材料分子动力学模型：在分子动力学模拟软件Materials Studio中建立纤维和基体结构模型，按基体/PyC界面层/纤维的顺序组合成初始模型，根据陶瓷基复合材料的制备过程，对初始模型进行弛豫，建立陶瓷基复合材料最终分子动力学模型；步骤(4)、模拟陶瓷基复合材料界面剪切过程：采用势函数模拟原子间相互作用，基于纤维推入试验过程，给纤维外侧原子层施加位移载荷，固定基体底部原子层沿位移方向坐标，给定模型边界条件，推动纤维整体移动，直至界面完全脱粘，记录模型的剪切应力
‑
应变曲线，剪切应力
‑
应变曲线的最高点所对应的应力值即为PyC界面的剪切强度。2.根据权利要求1所述的陶瓷基复合材料热解碳PyC界面模型建立及剪切强度预测方法，其特征在于，所述步骤(1)的具体步骤如下：利用X射线衍射XRD和拉曼光谱Raman观测PyC界面微观结构，根据XRD谱图和Raman谱图计算有序石墨层单元结构参数，计算公式如下：元结构参数，计算公式如下：元结构参数，计算公式如下：元结构参数，计算公式如下：其中，d
002
为碳层间距，λ1为XRD入射光波长，θ为XRD谱图碳峰衍射峰方位角，L
c
为碳层堆积高度，κ为经验参数，β为XRD谱图碳峰半高宽，R为PyC界面的无序度，I
D
是Raman谱图石墨D峰强度，I
G
是Raman谱图石墨G峰强度，L
a
是石墨碳层微晶宽度，C为经验参数；根据计算得到的PyC界面有序石墨层单元的碳层间距、碳层堆积高度和碳层尺寸，在分子动力学模拟软件Materials Studio的建模模块中建立有序石墨层单元。3.根据权利要求2所述的陶瓷基复合材料热解碳PyC界面模型建立及剪切强度预测方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙志刚，卞杰，刘晋辰，陈西辉，牛序铭，丁俊杰，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：