[發明專利]一種陶瓷基復合材料應力氧化環境剩余拉伸強度預測方法

有效

• 申請號: 201910198163.8
• 申請日: 2019-03-15
• 公開（公告）號: CN109992850B
• 公開（公告）日: 2020-01-24
• 發明（設計）人: 孫志剛;陳西輝;李宏宇;宋迎東;牛序銘
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20
• 代理公司: 32249 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙)
• 代理人: 陳國強

本發明公開了一種陶瓷基復合材料應力氧化環境剩余拉伸強度預測方法，包括確定單向SiC/SiC復合材料SiC基體飽和裂紋間距與SiC基體裂紋平均間距隨應力變化規律；確定SiC基體裂紋寬度隨應力、溫度的變化規律；得到不同時刻材料內部不同位置處的氧氣濃度，求得界面消耗長度、SiC纖維在裂紋處表面氧化層厚度隨應力、溫度與時間的變化規律；得到SiC纖維軸向應力分布；確定SiC纖維表面氧化缺陷尺寸；推導SiC纖維特征強度分布表達式；推導SiC纖維斷裂概率表達式；得到橋連SiC纖維中的最大應力；求解一定溫度、應力、氧化時間下SiC纖維斷裂概率；得到材料的剩余強度；本發明準確的預測出單向SiC/SiC復合材料在每一時刻、每個溫度與拉伸應力水平下的剩余拉伸強度。

技術領域

本發明屬于材料拉伸強度預測技術領域，特別涉及一種陶瓷基復合材料應力氧化環境剩余拉伸強度預測方法。

背景技術

碳化硅SiC纖維增韌碳化硅陶瓷基復合材料(Continuous silicon carbidefiber reinforced silicon carbide composites，以下簡稱SiC/SiC)的耐高溫、低密度、高

比強、高比模等優異性能，使其成為航空航天領域不可替代的新型高溫結構材料之一，廣泛應用于航空、航天發動機熱端部件、航空航天往返防熱系統、高速剎車、燃氣輪機熱端部件、高溫氣體過濾和熱交換器等。

在服役條件下，SiC/SiC材料需要承受應力與氧化耦合的共同作用。當材料承受一定的拉伸應力時，SiC基體會出現裂紋，裂紋貫穿到材料內部成為氧氣進入的通道。在高溫(>900℃) 環境下，組分材料包括熱解碳界面、SiC基體、SiC纖維會出現氧化。氧化使得組分的局部形貌發生改變，從而引起其強度的下降，與此同時，引起材料內部應力集中，在載荷作用下容易引起材料的脆性斷裂。

快速有效的計算出單向SiC/SiC材料在應力氧化環境下的剩余拉伸強度，能夠為材料服役過程中壽命評估、維修檢測提供重要的理論依據，并為材料可靠性設計提供必備的技術支撐。目前，對于確定單向SiC/SiC材料在應力氧化環境下剩余拉伸強度的技術主要有以下兩種：

專利CN105631148A“應力氧化環境下單向陶瓷基復合材料力學性能分析方法”基于單向C/SiC材料在400～900℃氧化失重率模型與Curtin強度模型，建立了考慮SiC基體開裂的單向C/SiC材料在400～900℃應力氧化環境下的剩余拉伸強度預測方法，但是該方法沒有考慮SiC基體的氧化，不能預測單向C/SiC材料在900℃以上高溫應力氧化環境下的剩余拉伸強度。另一方面，由于SiC/SiC材料的氧化機理與C/SiC的氧化機理存在較大的差異，該方法也不能用于預測單向SiC/SiC材料在應力氧化環境下的剩余拉伸強度。

因此，有必要提供一種簡單有效、能夠準確預測單向SiC/SiC材料在應力氧化環境下剩余拉伸強度的方法。

發明內容

本發明針對上述現有技術的不足，提供了一種陶瓷基復合材料應力氧化環境剩余拉伸強度預測方法，以解決現有技術存在的不能夠準確預測出單向SiC/SiC復合材料在應力氧化環境下剩余拉伸強度的問題。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種陶瓷基復合材料應力氧化環境剩余拉伸強度預測方法，包括以下步驟：

(1)、確定單向SiC/SiC復合材料SiC基體飽和裂紋間距與SiC基體裂紋平均間距隨應力變化規律；

(2)、確定SiC基體裂紋寬度隨應力、溫度的變化規律；

(3)、建立單向SiC/SiC復合材料應力氧化動力學方程與邊界條件，采用經典四階龍格庫塔法求解該方程，得到不同時刻材料內部不同位置處的氧氣濃度，基于該氧氣濃度值求得界面消耗長度、SiC纖維在裂紋處表面氧化層厚度隨應力、溫度與時間的變化規律；