本发明专利技术公开了一种热氧环境下编织C/C复合材料的刚度预测方法，包括以下步骤：S1：根据Arrhenius方程和扩散理论，结合C/C复合材料的氧化规律建立有、无抗氧化涂层的编织C/C复合材料氧化动力学模型；S2：根据氧化动力学模型和氧化机理计算纤维和基体的氧化量，将氧化的影响融入到组分性能变化中；S3：建立考虑温度和氧化的组分纤维束弹性性能计算方法；S4：分析C/C复合材料中孔隙分布规律，建立含孔隙的单胞几何模型，将几何模型离散化并施加周期性边界条件得到单胞有限元模型。本发明专利技术能够准确预测出在不同氧化时间、不同温度区间的编织C/C复合材料的刚度，不需要消耗大量时间和精力通过试验去测试编织C/C复合材料的刚度，节约了试验成本。了试验成本。了试验成本。
【技术实现步骤摘要】
一种热氧环境下编织C/C复合材料的刚度预测方法
[0001]本专利技术属于复合材料
，涉及C/C复合材料刚度的计算方法，具体涉及一种热氧环境下编织C/C复合材料的刚度预测方法。
技术介绍
[0002]C/C复合材料作为一种复合材料，它强度高，在超高温环境下能保持高强度，并具有良好的烧蚀性能，因而在航空航天、医疗、汽车、船舶等领域得到重要应用。一般用于高温环境的C/C复合材料工作温度在600℃到2500℃，在高温环境工作过程中受温度、氧化等因素影响，力学行为比室温下变的更为复杂。由于编织C/C复合材料是一种新型结构材料，现阶段缺乏高效的方法预测其热氧环境下的刚度。并且制造工艺并不完全成熟可控，通过实验的方式又要耗费大量成本。因此，如何准确的预测编织C/C复合材料热氧环境下的刚度是亟需解决的问题。
技术实现思路
[0003]专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，提出了一种热氧环境下编织C/C复合材料的刚度预测方法，在节约实验成本的前提下，可以计算出不同氧化时间、不同温度区间的编织C/C复合材料的刚度。
[0004]技术方案：为实现上述目的，本专利技术提供一种热氧环境下编织C/C复合材料的刚度预测方法，包括如下步骤：
[0005]S1根据Arrhenius方程和扩散理论，结合C/C复合材料的氧化规律建立有、无抗氧化涂层的编织C/C复合材料氧化动力学模型；
[0006]S2根据氧化动力学模型和氧化机理计算纤维和基体的氧化量，将氧化的影响融入到组分性能变化中；
[0007]S3建立考虑温度和氧化的纤维束弹性性能计算方法；
[0008]S4分析C/C复合材料中孔隙分布规律，建立含孔隙的单胞几何模型，将几何模型离散化并施加周期性边界条件得到单胞有限元模型；
[0009]S5将纤维束和基体的弹性性能赋予单胞有限元模型，对其施加位移载荷，通过有限元法计算不同温度，不同氧化时间编织C/C复合材料的刚度。
[0010]作为本专利技术的优选方案，所述步骤S1中氧化动力学模型因氧化规律不同分为两部分，
[0011](1)400℃
‑
700℃C
‑
O2化学反应控制氧化速率；
[0012]化学反应控制氧化速率阶段，有、无抗氧化涂层的C/C复合材料内外均匀氧化，根据Arrhenius方程建立C/C复合材料的氧化动力学模型，即
[0013][0014]式中，k
v
是氧化速率常数；k0是积分常数，通过氧化试验数据拟合获得；E
r
为反应活
化能；T为绝对温度；R为气体常数；
[0015](2)700℃以上扩散控制氧化反应速率；
[0016]此温度区间内复合材料的氧化速率由氧化气体通过抗氧化涂层和C/C复合材料裂纹、孔隙等缺陷的扩散控制。氧化由外向内逐渐延伸，氧化深度随氧化时间发生变化。
[0017]C/C复合材料分为外部氧化部分和内部未氧化部分，氧化深度成为预测模型中的一个重要参数，根据传质学理论推导出氧化量和氧化深度计算模型，即氧化动力学模型，计算公式如下：
[0018][0019][0020][0021][0022]式中N是碳参与氧化的物质的量，即氧化量，为抗氧化涂层区域Ⅱ中CO2的扩散通量，A是C/C复合材料的表面积，t表示氧化时间，L为涂层厚度，x
f
为抗氧化涂层区域Ⅱ的长度，是涂层边界处O2物质的量浓度，是O2有效扩散系数，是CO2的有效扩散系数，h是C/C复合材料初始的裂纹深度，l是初始裂纹长度，s初始裂纹厚度，A
x
为C/C复合材料表面初始裂纹迅速氧化成空穴的底部面积，c是环境气体的物质的量浓度，H为氧化深度，h'为空穴尺寸，M
C
为碳的摩尔质量，ρ是C/C复合材料的密度，S0表示涂层试样单位面积暴露C/C的面积。
[0023]作为本专利技术的优选方案，所述步骤S2中碳纤维与碳基体等体积氧化，氧化使纤维束纤维体积含量降低，纤维束内基体和纤维束之外的纯基体孔隙尺寸增大，孔隙率增大。
[0024]作为本专利技术的优选方案，所述步骤S3具体为：碳基体的力学性能参考石墨的性能；基于NASA的经验公式计算氧化后的纤维束弹性性能，纤维束内基体中的孔隙对组分弹性性能造成的影响，使用Eshelby等效夹杂理论进行等效处理，向NASA的经验公式中引入热处理修正系数、真密度修正系数以及温度修正系数，进而建立考虑温度和氧化的纤维束弹性性能计算方法。
[0025]作为本专利技术的优选方案，利用不同批次的C/C复合材料单向板拉伸试验结果来拟合制作工艺给C/C复合材料模量造成影响的热处理修正系数和真密度修正系数利用石墨弹性性能随温度变化来判断C/C复合材料各组分弹性性能随温度变化的程度来获取温度修正系数
[0026]则考虑温度和氧化的纤维束弹性性能计算公式为，
[0027][0028][0029][0030][0031]ν
b12
＝ν
b13
＝V
bf
ν
12
+(1
‑
V
bf
)ν
m
ꢀꢀꢀ
(10)
[0032][0033]设i,j∈1,2,3，则式中，E
i
为纤维弹性模量，E
bi
为纤维束弹性模量，V
bf
是氧化后纤维束纤维体积分数，E
m0
是基体使用Eshelby等效夹杂理论等效处理的等效弹性模量，G
ij
是纤维剪切模量，G
bij
为纤维束剪切模量，G
m
是基体剪切模量，ν
bij
为纤维束、ν
ij
为纤维和ν
m
为基体的泊松比。
[0034]作为本专利技术的优选方案，所述步骤S4中，建立含孔隙的单胞几何模型时，考虑纤维束打紧，几何模型包含纯基体中随机分布的孔隙。
[0035]作为本专利技术的优选方案，所述步骤S5具体为：
[0036](1)400℃
‑
700℃C
‑
O2化学反应控制氧化速率，此阶段将相应温度和氧化时间的纤维束和基体的力学性能赋予单胞有限元模型，对单胞施加位移载荷，利用有限元法对C
‑
O2反应控制氧化速率阶段的C/C复合材料热氧环境下的刚度进行预测。
[0037](2)700℃以上扩散控制氧化反应速率，分别建立氧化与未氧化部分的代表性单胞有限元模型，将考虑温度和氧化的纤维束和基体的弹性性能赋予这两种单胞有限元模型，对单胞施加位移载荷，利用有限元法分别计算出氧化与未氧化部分的刚度，然后根据氧化深度按照氧化与未氧化两部分的体积比对刚度进行叠加，进而获得编织C/C复合材料的整体刚度。
[0038]有益效果：本专利技术与现有技术相比，具备如下优点：
[0039]1、本专利技术考虑了编织C/C复合材料制造工艺本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种热氧环境下编织C/C复合材料的刚度预测方法，其特征在于，包括如下步骤：S1根据Arrhenius方程和扩散理论，结合C/C复合材料的氧化规律建立有、无抗氧化涂层的编织C/C复合材料氧化动力学模型；S2根据氧化动力学模型和氧化机理计算纤维和基体的氧化量，将氧化的影响融入到组分性能变化中；S3建立考虑温度和氧化的纤维束弹性性能计算方法；S4分析C/C复合材料中孔隙分布规律，建立含孔隙的单胞几何模型，将几何模型离散化并施加周期性边界条件得到单胞有限元模型；S5将纤维束和基体的弹性性能赋予单胞有限元模型，对其施加位移载荷，通过有限元法计算不同温度，不同氧化时间编织C/C复合材料的刚度。2.根据权利要求1所述的热氧环境下编织C/C复合材料的刚度预测方法，其特征在于：所述步骤S1中氧化动力学模型因氧化规律不同分为两部分，(1)400℃
‑
700℃C
‑
O2化学反应控制氧化速率；化学反应控制氧化速率阶段，有、无抗氧化涂层的C/C复合材料内外均匀氧化，根据Arrhenius方程建立C/C复合材料的氧化动力学模型，即式中，k
v
是氧化速率常数；k0是积分常数，通过氧化试验数据拟合获得；E
r
为反应活化能；T为绝对温度；R为气体常数；(2)700℃以上扩散控制氧化反应速率；C/C复合材料分为外部氧化部分和内部未氧化部分，氧化深度成为预测模型中的一个重要参数，根据传质学理论推导出氧化量和氧化深度计算模型，即氧化动力学模型，计算公式如下：式如下：式如下：式如下：式中N是碳参与氧化的物质的量，即氧化量，为抗氧化涂层区域Ⅱ中CO2的扩散通量，A是C/C复合材料的表面积，t表示氧化时间，L为涂层厚度，x
f
为抗氧化涂层区域Ⅱ的长度，是涂层边界处O2物质的量浓度，是O2有效扩散系数，是CO2的有效扩散系数，h是C/C复合材料初始的裂纹深度，l是初始裂纹长度，s初始裂纹厚度，A
x
为C/C复合材料表面初始裂纹迅速氧化成空穴的底部面积，c是环境气体的物质的量浓度，H为氧化深度，h'为空穴尺寸，M
C
为碳的摩尔质量，ρ是C/C复合材料的密度，S0表示涂层试样单位面积暴露C/C的面积。
3.根据权利要求1所述的热氧环境下编织C/C复合材料的刚度预测方法，其特征在于，所述步骤S2中碳纤维与碳基体等体积氧化，氧化使纤维束纤维体积含量降低，纤维束内基体和纤维束之外的纯基体孔隙尺寸增大，孔隙率增大。4.根据权利要求1所述的热氧环境下编织C/C复合材料的刚度预测方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：碳基体的力学性能参考石墨的性能；基于NASA的经验公式计算氧化后的纤维束弹性性能，纤维束内基体中的孔隙对组分弹性性能造成的影响，使用...
【专利技术属性】
技术研发人员：张宏建，刘帅，崔海涛，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。