[发明专利]氧化环境中单向碳化硅纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料损伤的检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳化硅纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料损伤的检测方法，特别是涉及一种氧化环境中单向碳化硅纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料损伤的检测方法。

背景技术

碳化硅纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料（Continuous silicon carbide fiberreinforced silicon carbide composites，以下简称SiC/SiC）的耐高温、低密度、高比强、高比模等优异性能，使其成为航空航天领域不可替代的新型高温结构材料之一，广泛应用于航空、航天发动机热端部件、航空航天往返防热系统、高速刹车、燃气轮机热端部件、高温气体过滤和热交换器等，其工作环境温度高，且普遍存在氧化性的介质（如氧气）。SiC/SiC组分材料包括碳化硅纤维、碳界面以及碳化硅基体，由于基体与纤维、界面之间的热膨胀系数不匹配，制备后的SiC/SiC的基体上存在许多微裂纹，这些微裂纹会成为氧化介质的流动通道，从而导致氧化介质进入复合材料内部，氧化侵蚀碳界面，造成材料整体性能的退化。因此高温氧化环境中服役的SiC/SiC，在承受服役载荷的同时，还要受到氧化介质的侵蚀，材料的损伤不仅与服役载荷相关，还与氧化环境有着密切联系。

合理的检测氧化环境中SiC/SiC复合材料的损伤，能够为材料服役过程中的寿命评估提供重要的理论依据，并为材料可靠性设计提供必备的技术支撑。应用于氧化环境中SiC/SiC复合材料损伤检测的技术主要有以下两种：

文献1“R Naslain，J Lamon，R Pailler，et al.Micro/minicomposites：a useful approach to the design and development of non-oxide CMCs.Composites：Part A30，1999，537-547”公开了一种通过实验测试SiC/SiC复合材料在氧化环境中受载时的力学行为并检测材料损伤的方法，但是材料的制备、测试过程在时间、人力、物力上的大量损耗，限制了实验方法在材料设计中的应用。

文献2“E Lara-Curzio.Analysis of oxidation-assisted stress-rupture of continuous fiber-reinforced ceramic matrix composites at intermediate temperature.Composites：Part A30，1999，549-554”公开了一种通过建立细观力学模型检测单向SiC/SiC复合材料损伤的方法，该方法将细观力学方法应用于构型较为简单的单向SiC/SiC复合材料，建立其在氧化环境中的平均应力的细观力学模型，基于材料损伤与平均应力之间的经验公式，得到损伤结果的计算表达式。然而，细观力学模型仅给出了氧化环境中的材料平均应力的数据结果，因此降低了材料损伤分析的准确度，另一方面，材料损伤的计算基于经验公式，无法保证计算结果的准确性。

以上现有的技术中实验方法成本高、耗时长，细观力学模型精度低，因此无法高效、准确的检测氧化环境中SiC/SiC复合材料的损伤。

发明内容

为了克服现有的单向SiC/SiC复合材料损伤检测方法精度差的不足，本发明提供一种氧化环境中单向碳化硅纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料损伤的检测方法。该方法应用氧化反应动力学方程计算复合材料微结构氧化过程中碳界面被氧化损耗的厚度，建立微结构在不同氧化时刻下的几何模型；构造氧化后微结构的有限元模型，进行细观应力的有限元计算；采用最大应力强度准则来检测材料的损伤情况。可以提高单向SiC/SiC复合材料损伤检测方法损伤分析的准确度，解决细观力学模型精度低的技术问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种氧化环境中单向碳化硅纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料损伤的检测方法，其特点是包括以下步骤：

（a）氧化环境中，氧气与碳界面发生氧化反应的动力学方程是：