[發(fā)明專利]基于孔隙率增量的陶瓷基復(fù)合材料熱機(jī)械損傷表征方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910867250.8
• 申請(qǐng)日: 2019-09-12
• 公開（公告）號(hào): CN110765573B
• 公開（公告）日: 2021-06-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊正茂;閆涵;裴長(zhǎng)浩;龍麗平;劉暉
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所
• 主分類號(hào): G06F30/20
• 分類號(hào): G06F30/20;G06F119/14;G06F119/08;G06F119/04
• 代理公司: 北京維正專利代理有限公司 11508
• 代理人: 劉乾幫

本發(fā)明涉及陶瓷基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷容限評(píng)估與設(shè)計(jì)領(lǐng)域，公開了基于微孔隙率增量的陶瓷基復(fù)合材料熱機(jī)械損傷表征方法，包括步驟：S1：確定材料孔隙率和所施加的熱機(jī)械載荷之間的定量相關(guān)性；S2：考慮孔隙率的影響，建立計(jì)算CMCs宏觀有效彈性模量模型；S3：將材料孔隙率對(duì)材料宏觀有效彈性模量的影響通過(guò)權(quán)函數(shù)的形式分配給纖維相和基體相；S4：建立材料的能量釋放率與材料微孔隙率增量的相關(guān)性。其可以更為準(zhǔn)確地描述熱機(jī)械損傷演化行為。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及陶瓷基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷容限評(píng)估與設(shè)計(jì)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于孔隙率增量的陶瓷基復(fù)合材料熱機(jī)械損傷表征方法。

背景技術(shù)

陶瓷基復(fù)合材料(Ceramic-Matrix Composites,CMCs)是一種輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，其能在高溫、氧化、疲勞、蠕變等狀況下保持良好的性能而備受關(guān)注，因此，高速飛行器的熱防護(hù)系統(tǒng)、渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的火焰筒、渦輪導(dǎo)向葉片、渦輪外環(huán)、隔熱屏和火焰穩(wěn)定器等關(guān)鍵熱端部件都可利用CMCs，這些應(yīng)用對(duì)航空航天工程非常重要。

工業(yè)應(yīng)用CMCs的障礙是其微觀結(jié)構(gòu)演化和機(jī)械性能退化的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)極為有限，以及缺乏用于預(yù)測(cè)殘余機(jī)械性能和疲勞壽命的固體力學(xué)模型，更重要的是，過(guò)度的熱應(yīng)力和伴隨的微觀結(jié)構(gòu)變化，導(dǎo)致CMCs在嚴(yán)苛的負(fù)載條件下的高溫梯度會(huì)加劇CMCs的過(guò)早失效。為了建立一種可靠的CMCs疲勞壽命評(píng)估方法，需要更全面地了解CMCs的熱機(jī)械損傷的機(jī)理，更重要的是了解瞬態(tài)熱機(jī)載荷引起的熱機(jī)械損傷演化及其影響。

通常，在宏觀損傷力學(xué)框架中，材料退化通過(guò)材料剛度的降低來(lái)表示，

式中，和分別表示當(dāng)前材料的彈性模量和剪切模量，E₀和G₀分別表示原始材料的彈性模量和剪切模量。

這樣的表征方法相對(duì)簡(jiǎn)單，但是對(duì)于各向異性的CMCs在熱機(jī)械載荷作用下所表現(xiàn)出來(lái)的復(fù)雜損傷過(guò)程，通常需要將損傷變量D變?yōu)槎A張量以描述三維復(fù)合材料的損傷特性，這樣損傷演化方程將變得相當(dāng)復(fù)雜。再者，宏觀現(xiàn)象學(xué)無(wú)法深入理解在熱機(jī)械載荷作用下CMCs微觀結(jié)構(gòu)演化對(duì)材料力學(xué)性能的影響。

另外，復(fù)合材料的宏觀材料特性可以根據(jù)混合律估算。在材料科學(xué)中，混合律可用于預(yù)測(cè)由連續(xù)增強(qiáng)纖維復(fù)合材料的各種力學(xué)性能，它提供了材料力學(xué)性能的理論上下限的性質(zhì)，如彈性模量，質(zhì)量密度，極限拉伸強(qiáng)度等作為上限(Voigt模型)和橫向載荷作為下限(Reuss模型)，

其中E_Up和E_Low分別是從混合律獲得的復(fù)合有效彈性模量的理論上限和下限。式中，和分別代表復(fù)合材料中基體和纖維的剛度；V_m和V_f分別代表復(fù)合材料中基體和纖維的體積分?jǐn)?shù)。

上述現(xiàn)有的方法沒(méi)有考慮孔隙率在材料受載過(guò)程中的變化對(duì)材料剛度的影響，但是，CMCs在熱機(jī)械載荷作用的損傷主要表現(xiàn)形式為基體微裂紋，因此，上述方法并不能準(zhǔn)確地表征CMCs的熱機(jī)械損傷。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種基于微孔隙率增量的陶瓷基復(fù)合材料熱機(jī)械損傷表征方法，其可以更為準(zhǔn)確地描述CMCs的熱機(jī)械損傷演化行為。

基于微孔隙率增量的陶瓷基復(fù)合材料熱機(jī)械損傷表征方法，包括以下步驟：

S1：確定材料孔隙率和所施加的熱機(jī)械載荷之間的定量相關(guān)性；

S2：考慮孔隙率的影響，建立計(jì)算CMCs宏觀有效彈性模量模型；

S3：將材料孔隙率對(duì)材料宏觀有效彈性模量的影響通過(guò)權(quán)函數(shù)的形式分配給纖維相和基體相；

S4：建立材料的能量釋放率與材料微孔隙率增量的相關(guān)性。