[發明專利]陶瓷基復合材料結構中的氣體擴散及氧化演化計算方法

在審

• 申請號: 202011191832.8
• 申請日: 2020-10-30
• 公開（公告）號: CN112329299A
• 公開（公告）日: 2021-02-05
• 發明（設計）人: 高希光;時曉婷;宋迎東;于國強;張盛;倪政
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G01N33/38;G01N33/00;G01N15/08
• 代理公司: 南京鐘山專利代理有限公司 32252
• 代理人: 張明浩

1.陶瓷基復合材料結構中的氣體擴散及氧化演化計算方法，其特征是：包括以下步驟：

步驟1：確定結構件中的溫度、載荷分布；

步驟2：確定結構中的基體裂紋分布：根據步驟1的溫度場、應力場，基于基體開裂模型，計算結構中溫度、應力相關的基體裂紋密度ρ_crack、基體裂紋寬度d_crack；

步驟3：基于基體裂紋分布，建立纖維束尺度的等效擴散系數模型，預測纖維束中的氣體流通通道；基于基體裂紋分布，考慮在軸向長度為L的纖維束復合材料中，其基體裂紋寬度為d_crack，基體裂紋密度為ρ_crack，對通道中的氣體擴散總量進行平均，建立基體裂紋分布相關的纖維束復合材料尺度等效擴散系數模型；

步驟4：建立編織陶瓷基復合材料代表性體積單元模型，即RVE模型；對結構件所用的編織CMCs細觀結構XCT掃描圖像進行圖像識別，經紗走向采用余弦函數進行描述，緯紗則以直線形式描述，觀測獲取幾何參數，建立對應的RVE模型；

步驟5：建立RVE尺度的等效擴散系數模型，表征結構的氣體流通；基于孔隙特征，將纖維束看作均質材料，將步驟3所構建的纖維束復合材料等效擴散系數模型代入RVE模型的紗線中，建立編織CMCs在RVE尺度上的等效擴散系數模型；

步驟6：計算結構中的氣體濃度分布；采用有限差分法進行求解，計算沿傳遞方向上結構內各單元的氣體濃度分布；

步驟7：計算結構中的氧化產物分布；根據步驟6計算出的氣體濃度，計算各單元中裂紋、孔隙處的氧化物生長厚度z；

步驟8：根據步驟7結果計算氣體通道的填封情況，包括裂紋寬度、孔隙特征量的變化，將新的氣體通道特征量代入步驟3-5，計算新的等效擴散系數場，實現氣體通道再標定，重復步驟6-7，實現不同時刻下結構件中的氧化產物分布計算。

2.根據權利要求1所述的陶瓷基復合材料結構中的氣體擴散及氧化演化計算方法，其特征是：步驟二中，基體裂紋密度的計算方法為：

式中，σ表示纖維束中的應力；m，b₀分別表示Weibull模量和Weibull基體開裂特征強度，可通過對拉伸試驗曲線的過渡段擬合確定；L_sat為飽和裂紋間距，可通過試驗觀察得到；

基體裂紋寬度的計算方法為：

式中，d₀為常溫下的裂紋寬度，T₀為材料制備溫度，ΔT為當前溫度與常溫的溫差，E_f為纖維彈性模量，V_m為纖維束復合材料中基體的體積含量，α_m、α_f分別是基體、纖維的熱膨脹系數。

3.根據權利要求1所述的陶瓷基復合材料結構中的氣體擴散及氧化演化計算方法，其特征是：步驟三中，

基體裂紋分布相關的纖維束復合材料尺度等效擴散系數模型為：

公式中，N_A為氣體擴散通量，表示濃度梯度，D_gas為氧氣在單裂紋通道中的擴散系數；

考慮到在0-1500℃范圍內，O₂的分子平均自由程在10^-7m數量級，裂紋尺度在10^-7m數量級，屬于混合型擴散，可根據與擴散系數D_F相關的Fick擴散以及與擴散系數D_K相關的Knudsen擴散經驗公式進行計算：

其中，Fick擴散：

在二元擴散體系(O₂-CO)中，參數可通過下式計算而得到：

其中，A、B分別代表氣體O₂與CO；

Knudsen擴散：

由此可建立纖維束復合材料等效擴散系數與其基體裂紋分布的數學關系：

公式中，T為環境溫度，單位為K，P為環境壓強，單位為Pa，R_g為氣體常數，單位為J/(mol/K)，Σ_v為分子的擴散體積，為混合氣體的摩爾質量。