[發明專利]一種應力水氧耦合環境單向陶瓷基復合材料剩余強度與剩余剛度預測方法

在審

• 申請號: 202010517864.6
• 申請日: 2020-06-09
• 公開（公告）號: CN111785335A
• 公開（公告）日: 2020-10-16
• 發明（設計）人: 孫志剛;吳有訓;陳西輝;宋迎東;牛序銘;吳偉晶;陳壯壯;熊嚴
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G16C60/00
• 分類號: 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: 陳國強

本發明公開了一種應力水氧耦合環境單向陶瓷基復合材料剩余強度與剩余剛度預測方法；方法確定單向SiC/SiC復合材料內部水蒸氣與氧氣濃度、碳界面消耗長度及材料基體纖維氧化物厚度變化規律：結合水蒸氣與氧氣的擴散系數，建立單向SiC/SiC復合材料在水氧耦合環境下的氧化動力學方程，結合水蒸氣及氧氣的邊界條件，求解方程得到水蒸氣及氧氣在材料內部不同時刻不同位置處的濃度，基于水蒸氣及氧氣濃度求出界面消耗長度及氧化物厚度變化規律；本發明為單向SiC/SiC復合材料的安全使用提供理論支持，且計算過程簡潔有效，省去了實驗方法的時間和人力成本。

技術領域

本發明屬于材料力學性能預測領域，特別涉及一種應力水氧耦合環境單向陶瓷基復合材料剩余強度與剩余剛度預測方法。

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、耐腐蝕等優異性能，是航空發動機熱端部件的重要候選材料，目前，SiC/SiC復合材料在美、日、法等國外航空發動機領域已有了較為廣泛的研究和應用。

在服役環境下，航空煤油燃燒會產生10％的水蒸氣，SiC/SiC材料將暴露在水蒸氣和氧氣耦合的復雜氧化環境中，材料基體和纖維在水蒸氣和氧氣耦合環境下的氧化造成SiC的退化并在表面形成SiO₂氧化層，且碳界面的氧化造成原始界面處出現環形空缺，這些影響了材料的強度和剛度等力學性能。因此準確有效的計算單向SiC/SiC材料在水蒸氣和氧氣耦合應力環境下的剩余強度與剩余剛度，能夠為SiC/SiC材料服役過程中的損傷檢測、壽命評估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，國內外關于SiC/SiC材料在應力水氧耦合環境下的剩余強度與剩余剛度研究的方法有以下幾種。

文獻“Filipuzzi L,Naslain R.Oxidation mechanisms and kinetics of 1D-SiC/C/SiC composite materials：Ⅱ，Modeling.Journal of the American CeramicSociety,1994,77(2):467～480.”通過實驗與理論相結合的方式，基于SiC/SiC材料的氧化反應機理，建立了單向SiC/SiC材料在干氧環境下的氧化動力學模型，預測材料在不同氧分壓環境下的質量變化情況。但是該方法沒有考慮水蒸氣對材料氧化的作用，且不能用于預測材料剩余力學性能。

專利202010024866.1“一種水蒸氣和氧氣在無定型二氧化硅二氧化硅中的擴散系數的研究方法”基于分子動力學，模擬計算了水蒸氣和氧氣在無定型二氧化硅中的擴散系數，見表5。但該方法不能用于預測單向SiC/SiC材料的剩余力學性能。

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”基于單向陶瓷基復合材料的氧化機理，確定材料基體裂紋數和裂紋寬度隨應力的變化情況，確定材料內部氧化劑濃度，由此確定纖維應力分布和特征強度分布，最終來預測單向SiC/SiC復合材料在應力氧化環境下的剩余剛度，但該方法沒有考慮水蒸氣對材料的氧化作用，且無法用于預測材料的剩余強度。

專利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”基于單向陶瓷基復合材料的氧化機理確定的基體裂紋數和裂紋寬度隨應力的變化情況，結合材料內部氧化劑濃度，取得纖維應力分布和特征強度，最終得到材料的剩余強度。但該方法沒有考慮水蒸氣對材料的氧化作用，且無法用于預測材料的剩余強度。

因此，有必要提供一種能夠準確預測單向SiC/SiC材料在應力水氧耦合環境下剩余強度與剩余剛度的方法。

發明內容

本發明提供了一種應力水氧耦合環境單向陶瓷基復合材料剩余強度與剩余剛度預測方法，以解決現有技術中的問題。