[發明專利]一種應力氧化環境下陶瓷基復合材料內部氧化形貌預測方法

有效

• 申請號: 202010041210.0
• 申請日: 2020-01-15
• 公開（公告）號: CN111243681B
• 公開（公告）日: 2023-08-01
• 發明（設計）人: 宋迎東;陳西輝;丁俊杰;牛序銘;孫志剛;靳彧
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G16C10/00
• 分類號: G16C10/00;G16C60/00
• 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

本發明公開了一種應力氧化環境下單向SiC/SiC復合材料內部氧化形貌預測方法，基于傳質學理論，考慮了裂紋處初始階段C界面的氧化缺口形貌變化，在氧化缺口到達SiC纖維處后，使用體積等效法將弧形的氧化缺口等效為矩形缺口，并在建立的控制體方程中加入了SiC纖維氧化消耗的氧氣，使得模型更加接近實際情況，能準確地預測出陶瓷基復合材料在應力氧化任意時間后內部裂紋壁的氧化、氧氣開始氧化纖維的時間、進入到裂紋底部后對纖維、界面和基體的氧化形貌，為之后計算應力氧化環境下陶瓷基復合材料的剩余力學性能問題提供了理論支持。

技術領域

本發明屬于復合材料技術領域，特別涉及一種應力氧化環境下陶瓷基復合材料內部氧化形貌預測方法。

背景技術

碳化硅纖維增韌碳化硅陶瓷基復合材料(Continuous?silicon?carbide?fiberreinforced?silicon?carbide?composites，簡稱SiC/SiC)具有耐高溫、低密度、高比強、高比模等優異性能，在航空發動機燃燒室和尾噴管調節片等部件上有著廣泛的應用前景。

由于碳與碳化硅纖維、基體的相容性較好，其作為界面相廣泛應用于SiC/SiC材料。SiC/C/SiC材料目前主要應用于高溫(900℃)應力氧化環境。在該環境下，由于應力的存在基體會出現開裂，環境中的氧化性氣體會通過基體裂紋進入材料內部與C界面、SiC纖維、基體等組分材料發生氧化反應，使得材料發生退化。準確有效的預測出SiC/SiC材料在應力氧化環境下內部形貌的變化，能夠為之后計算SiC/SiC復合材料在應力氧化環境下力學性能的退化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。

文獻“航空發動機熱端部件模擬環境下3D?C/SiC的微結構演變與失效機制”使用透射電鏡(TEM)觀測了氧化環境下C/SiC界面的氧化形貌，但沒有建立氧化動力學模型，無法預測任意時間下SiC/C/SiC復合材料在氧化環境下內部形貌的變化。

專利201910198163.8“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”、201910198773.8“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”、201910198794.x“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”建立了應力氧化環境下陶瓷基復合材料的氧化動力學模型，預測了氧化后陶瓷基復合材料的剩余力學性能，但該模型沒有考慮第一階段復合材料界面沿裂紋方向的氧化，簡化了C界面氧化的缺口，在控制方程中忽略了SiC纖維消耗的氧氣量，因此不能準確地模擬出1D-SiC/C/SiC復合材料在任意時刻下內部的氧化形貌。

專利201910520855.X“一種應力水蒸氣環境下單向陶瓷基復合材料內部氧化形貌預測方法”建立了SiC/C/SiC水蒸氣氧化模型，預測了SiC/C/SiC復合材料在水蒸氣氧化環境下氧化形貌的變化。但水蒸氣氧化機理與氧氣氧化機理不同，而且該模型沒有考慮C界面氧化弧形缺口變化規律，將C界面氧化過程簡化為矩形，因此不能用來準確地模擬出1D-SiC/C/SiC復合材料在任意時刻下內部的氧化形貌。

文獻“Ludovic?Filipuzzi,Roger?Naslain.Oxidation?Mechanisms?andKinetics?of?1D-SiC/C/SiC?Composite?Materials:II,Modeling[J].Journal?of?theAmerican?Ceramic?Society,2005,77(2):459-466.”基于簡單的軸對稱纖維/界面/基體結合，建立了1D-SiC/C/SiC模型，在900-1300℃和10P100KPa的溫度壓力范圍內，對1D-SiC/C/SiC復合材料與氧氣的氧化行為進行了研究，預測了C界面的消耗和復合材料基體與纖維上SiO₂層厚度隨時間的變化。但該文獻中沒有考慮復合材料與氧氣氧化過程中界面沿裂紋方向的氧化，忽略了C界面氧化缺口到達SiC纖維的氧化時間，同時沒有考慮裂紋兩端SiC基體的氧化，所以無法準確地模擬出1D-SiC/C/SiC復合材料在任意時刻下內部的氧化形貌。