[發明專利]一種高溫氧化環境陶瓷基復合材料任意加卸載應力應變曲線預測方法

有效

• 申請號: 202010040082.8
• 申請日: 2020-01-15
• 公開（公告）號: CN111241686B
• 公開（公告）日: 2021-10-26
• 發明（設計）人: 宋迎東;陳西輝;劉炎;孫志剛;牛序銘;高希光
• 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;G06F30/15;G16C60/00;G06F119/14
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 孟捷

本發明公開了一種高溫氧化環境陶瓷基復合材料任意加卸載應力應變曲線預測方法，該方法能有效模擬單向SiC/SiC復合材料在高溫氧化環境下任意加卸載應力應變曲線，該方法考慮了高溫氧化環境下基體裂紋密度和寬度、界面氧化消耗長度、纖維拉伸強度對加載時界面滑移區長度及分布對復合材料應力應變曲線的影響；本發明可以為單向SiC/SiC復合材料在高溫氧化環境下譜載荷加載下的疲勞壽命的計算提供理論基礎；本發明克服了單向陶瓷基復合材料任意加卸載氧化試驗測試成本高，消耗人力物力大的缺點，可節省大量的人力物力。

技術領域

本發明屬于復合材料技術領域，特別涉及一種高溫氧化環境陶瓷基復合材料任意加卸載應力應變曲線預測方法。

背景技術

碳化硅纖維增韌碳化硅陶瓷基復合材料(Silicon carbide fiber reinforcedsilicon carbide composites，以下簡稱SiC/SiC)是航空發動機熱端部件的新型高溫結構材料，其具備高比強度、比剛度等特性，能有效實現熱端部件的減重。在服役環境下，SiC/SiC復合材料構件一方面要承受高溫氧化環境帶來的損傷，另一方面，SiC/SiC復合材料構件還要承擔的外加載荷，而大多數外加載荷是變載荷或者隨機載荷，載荷的不恒定使材料內部的組分(基體、界面和纖維)變化比恒幅載荷下更復雜。考慮SiC/SiC復合材料在高溫氧化環境下及任意加卸載對復合材料內部組分的影響，預測SiC/SiC復合材料的應力應變關系可以為分析材料在服役環境下的疲勞壽命打下堅實的基礎。

現有技術中，文獻“陶瓷基復合材料的基體失效模型”主要研究了陶瓷基復合材料基體開裂與外載的關系，采用了蒙特卡洛法模擬陶瓷基復合材料基體裂紋生成，得到了不同加載應力下基體裂紋的間距及位置，為單向SiC/SiC復合材料在任意加卸載載荷基體裂紋演變提供了分析基礎。文獻“Modeling of damage in unidirectional ceramic matrixcomposites and multi-scale experimental validation on third generation SiC/SiC minicomposites”主要研究了基體裂紋寬度與外加應力及溫度的關系，并通過實驗測得200MPa常溫環境下SiC/SiC復合材料的裂紋寬度為0.2微米。專利CN110096732A“一種陶瓷基復合材料在應力氧化環境下剩余剛度預測方法”、CN109992850A“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”、CN110096731A“一種陶瓷基復合材料在應力氧化環境下質量變化預測方法”提出了一種高溫氧化環境下氧化動力學模型，基于此模型計算了不同時刻材料內部不同位置處的氧氣濃度、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，確定SiC纖維表面氧化缺陷尺寸并推導SiC纖維特征強度分布表達式，但研究的是在蠕變單拉應力氧化環境下的氧化形貌，沒有對任意加卸載載荷下的氧化形貌進行研究。文獻“復雜預制體陶瓷基復合材料疲勞失效機理及多尺度模擬”主要研究了陶瓷基復合材料的疲勞失效，得到了在任意加卸載下單向SiC/SiC復合材料界面滑移區的分布規律，但沒有考慮高溫氧化環境對陶瓷基復合材料內部組分的影響。文獻“長纖維增強陶瓷基復合材料疲勞損傷模型與壽命預測”主要通過剪滯模型研究了陶瓷基復合材料的疲勞失效，給出了剪滯模型的計算公式，還通過計算得到了纖維隨機失效百分數、界面剪應力隨循環數的變化規律，但無法用來模擬單向SiC/SiC在高溫氧化環境下的應力應變曲線。文獻“Modeling the effect of oxidation on hysteresis loops ofcarbon fiber-reinforced ceramic-matrix composites under static fatigue atelevated temperature”主要研究了高溫氧化對C/SiC復合材料的常幅疲勞遲滯耗散能及界面滑移的影響，考慮了高溫氧化對C/SiC復合材料界面消耗長度的影響，未考慮纖維氧化對纖維強度的影響，也未考慮基體裂紋的氧化對氧氣通道寬度的影響，無法用來模擬單向SiC/SiC復合材料在任意加卸載下的應力應變曲線。