高温氧化下碳纤维增韧陶瓷基复合材料导热系数预估方法技术

本发明专利技术公开了一种高温氧化下碳纤维增韧陶瓷基复合材料导热系数预估方法，首先，获取材料发生氧化时的几何结构特征变化规律建立材料发生氧化后的RVE模型；其次，将氧化缺口深度δ特征引入到RVE模型中，得到能够氧化特征的修正RVE模型；然后，将修正RVE模型沿着纤维轴向划分为五个特征区域，针对每个特征区域分别建立其等效轴向热阻，将五个区域的轴向热阻串联即可得到材料的整体轴向热阻网络，求解得到轴向导热系；最后，对修正RVE模型进行同样区域划分，得到横向导热系数。本发明专利技术可以在预测材料在不同氧化温度和氧化时间条件下的导热系数。系数。系数。

【技术实现步骤摘要】
高温氧化下碳纤维增韧陶瓷基复合材料导热系数预估方法


[0001]本专利技术属于工程热物理
，特别涉及一种高温氧化下碳纤维增韧陶瓷基复合材料导热系数预估方法。

技术介绍

[0002]单向碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(C/SiC)在航空航天领域有着广阔的应用前景。与超级合金相比，C/SiC复合材料的有益材料性能包括更高的强度密度比、更轻的重量、更高的温度性能和更好的抗热震性。但是，在高温条件(温度高于500摄氏度)单向纤维增韧C/SiC陶瓷基复合材料中的碳纤维和PyC界面层会与氧气发生氧化还原反应，使得碳纤维和PyC发生退化。单向纤维增韧C/SiC陶瓷基复合材料作为一种热端部件材料，其主要应用于热端部件的制造中。例如，G燃气轮机发动机的燃烧室衬套将在高温氧化环境中持续加载数百甚至数千小时然而，碳纤维和相间对氧化的敏感性阻碍了在高温氧化环境中的长期可重复使用应用。因此在实际应用中需要对C/SiC部件进行热防护设计以防止高温氧化后构件损坏。
[0003]要对C/SiC部件进行准确的热设计则需要，则需要知道C/SiC材料的传热特性即材料的导热系数。目前针对C/SiC材料热物性研究都未考虑纤维发生氧化所带来的影响的公式可以计算C/SiC材料在未发生氧化时的导热系数，但是由于其建立的公式未能考虑纤维的氧特征，因此不能预测纤维发生氧化后C/SiC材料的等效导热系数。
[0004]迄今为止，研究人员对C/SiC复合材料的氧化行为进行了大量的研究。但遗憾的是目前任然没有研究人员将这一氧化微观结构变化特征，引入到转热分析模型中以获取C/SiC材料在发生氧化后的的材料导热特性。因此需要一种考虑氧化温度和氧化时间条件下的单向碳纤维增韧陶瓷基复合材料等效导热系数获取方法。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：本专利技术提供一种高温氧化下碳纤维增韧陶瓷基复合材料导热系数预估方法，可以预测材料在不同氧化温度和氧化时间条件下的导热系数。
[0006]技术方案：本专利技术所述的高温氧化下碳纤维增韧陶瓷基复合材料导热系数预估方法，包括以下步骤：
[0007](1)根据单向纤维增韧C/SiC陶瓷基复合材料的微观扫描电镜照片，获取单向纤维增韧C/SiC陶瓷基复合材料的基本几何特征，并建立单向纤维增韧C/SiC陶瓷基复合材料的RVE模型；
[0008](2)根据氧化动力学原理计算得到纤维和界面发生氧化后的几何变化特征即氧化缺口深度δ；并将氧化缺口深度δ特征引入到步骤(1)建立的RVE模型中，得到能够氧化特征的修正RVE模型；
[0009](3)将步骤(2)得到的修正RVE模型沿着纤维轴向划分为五个特征区域；其中第Ⅰ和第V区域由纤维、界面层和基体组成；第Ⅱ和第Ⅳ区域由纤维、氧化缺口和基体组成；第Ⅲ区
域由纤维、氧化缺口和裂纹组成；针对每个特征区域分别建立其等效轴向热阻，将五个区域的轴向热阻串联即可得到材料的整体轴向热阻网络，求解轴向热阻网络即可得到材料的轴向导热系数预测公式；
[0010](4)修正RVE模型的区域划分与步骤(3)保持一致，在建立热阻网络时，针对每个区域分别建立其等效横向热阻，然后将五个区域的横向热阻并联即可得到材料的整体横向热阻，然后求解热阻网络即可得到材料的横向导热系数预测公式。
[0011]进一步地，所述基本几何特征包括特征单元的长宽高尺寸、纤维直径、裂纹尺寸和界面层厚度。
[0012]进一步地，步骤(3)所述轴向热阻网络由五个等效热阻串联构成，每个等效热阻由3个基本的热阻并联而成，每个热阻都反应了相应区域的结构特征；其中，区域Ⅰ和V的轴向热阻反应的是纤维、基体和界面层的组合热阻特性；域Ⅱ和Ⅳ的轴向热阻反应的是纤维、基体和氧化缺口的组合热阻特性；区域Ⅲ的轴向热阻反应的是纤维、基体裂纹和氧化缺口组合下的热阻特性。
[0013]进一步地，步骤(3)所述材料的轴向导热系数公式为：
[0014][0015][0016][0017]其中区域Ⅰ的轴向长度为L
r
＝(L
‑
L
e
)/2，L
e
为氧化缺口的宽度，R
m,I
,R
i,I
,R
fa,I
分别为区域Ⅰ中基体、界面层和纤维的轴向热阻，r
f
为纤维的半径，λ
m
为基体的导热系数，λ
i
为界面层的导热系数，λ
fa
为纤维的轴向导热系数；
[0018]区域Ⅰ的轴向热阻R
ea,I
通过并联R
m,I
,R
i,I
,R
fa,I
得到：
[0019][0020][0021]区域V的轴向热阻R
ea,V
为：
[0022][0023]对于区域Ⅱ：
[0024][0025][0026][0027]其中，R
m,Ⅱ,R
i,Ⅱ,R
fa,Ⅱ分别为区域Ⅱ中基体、界面层和纤维的轴向热阻，λ
gas
为氧化
缺口的导热系数；
[0028]区域Ⅱ的轴向等效热阻通过并联R
m,Ⅱ,R
i,Ⅱ,R
fa,Ⅱ得到：
[0029][0030][0031]区域V的轴向热阻R
ea,Ⅳ为：
[0032][0033]对于区域Ⅲ：
[0034][0035][0036]其中，R
fa,Ⅲ为区域Ⅲ中纤维的轴向热阻，R
gas,Ⅲ为区域Ⅲ中氧化缺口和裂纹的轴向热阻；
[0037]区域Ⅲ的轴向热阻R
ea,Ⅲ通过并联R
gas,Ⅲ,R
fa,Ⅲ得到：
[0038][0039][0040]RVE模型的轴向热阻R
ea
通过串联R
ea,I
,R
ea,Ⅱ,R
ea,Ⅲ,R
ea,Ⅳ,R
ea,V
得到：
[0041]R
ea
＝R
ea,I
+R
ea,Ⅱ+R
ea,Ⅲ+R
ea,Ⅳ+R
ea,V
[0042]RVE模型的轴向导热系数λ
ea
通过R
ea
求得：
[0043][0044]进一步地，所述步骤(4)实现过程如下：
[0045]横向热阻网络由五个等效热阻并联构成，每个等效热阻都反应了相应区域的结构特征；其中，区域Ⅰ和V的横向热阻反应的是纤维、基体和界面层的组合热阻特性；区域Ⅱ和Ⅳ的横向热阻反应的是纤维、基体和氧化缺口的组合热阻特性；区域Ⅲ的横向热阻反应的是纤维、基体裂纹和氧化缺口组合下的热阻特性；
[0046]RVE模型的横向热阻R
et
通过并联R
et,I
,R
et,Ⅱ,R
et,Ⅲ,R
et,Ⅳ,R
et,V...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高温氧化下碳纤维增韧陶瓷基复合材料导热系数预估方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)根据单向纤维增韧C/SiC陶瓷基复合材料的微观扫描电镜照片，获取单向纤维增韧C/SiC陶瓷基复合材料的基本几何特征，并建立单向纤维增韧C/SiC陶瓷基复合材料的RVE模型；(2)根据氧化动力学原理计算得到纤维和界面发生氧化后的几何变化特征即氧化缺口深度δ；并将氧化缺口深度δ特征引入到步骤(1)建立的RVE模型中，得到能够氧化特征的修正RVE模型；(3)将步骤(2)得到的修正RVE模型沿着纤维轴向划分为五个特征区域；其中第Ⅰ和第V区域由纤维、界面层和基体组成；第Ⅱ和第Ⅳ区域由纤维、氧化缺口和基体组成；第Ⅲ区域由纤维、氧化缺口和裂纹组成；针对每个特征区域分别建立其等效轴向热阻，将五个区域的轴向热阻串联即可得到材料的整体轴向热阻网络，求解轴向热阻网络即可得到材料的轴向导热系数预测公式；(4)修正RVE模型的区域划分与步骤(3)保持一致，在建立热阻网络时，针对每个区域分别建立其等效横向热阻，然后将五个区域的横向热阻并联即可得到材料的整体横向热阻，然后求解热阻网络即可得到材料的横向导热系数预测公式。2.根据权利要求1所述的高温氧化下碳纤维增韧陶瓷基复合材料导热系数预估方法，其特征在于，所述基本几何特征包括特征单元的长宽高尺寸、纤维直径、裂纹尺寸和界面层厚度。3.根据权利要求1所述的高温氧化下碳纤维增韧陶瓷基复合材料导热系数预估方法，其特征在于，步骤(3)所述轴向热阻网络由五个等效热阻串联构成，每个等效热阻由3个基本的热阻并联而成，每个热阻都反应了相应区域的结构特征；其中，区域Ⅰ和V的轴向热阻反应的是纤维、基体和界面层的组合热阻特性；域Ⅱ和Ⅳ的轴向热阻反应的是纤维、基体和氧化缺口的组合热阻特性；区域Ⅲ的轴向热阻反应的是纤维、基体裂纹和氧化缺口组合下的热阻特性。4.根据权利要求1所述的高温氧化下碳纤维增韧陶瓷基复合材料导热系数预估方法，其特征在于，步骤(3)所述材料的轴向导热系数公式为：征在于，步骤(3)所述材料的轴向导热系数公式为：征在于，步骤(3)所述材料的轴向导热系数公式为：其中区域Ⅰ的轴向长度为L
r
＝(L
‑
L
e
)/2，L
e
为氧化缺口的宽度，R
m,I
,R
i,I
,R
fa,I
分别为区域Ⅰ中基体、界面层和纤维的轴向热阻，r
f
为纤维的半径，λ
m
为基体的导热系数，λ
i
为界面层的导热系数，λ
fa
为纤维的轴向导热系数；区域Ⅰ的轴向热阻R
ea,I
通过并联R
m,I
,R
i,I
...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵陈伟，叶大海，毛军逵，屠泽灿，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：