[发明专利]一种陶瓷基复合材料氧化环境碳界面消耗体积确定方法

说明书

本发明公开了一种陶瓷基复合材料氧化环境碳界面消耗体积确定方法，具体为：统计材料横截面纤维总根数，测量界面平均厚度、纤维平均直径，获取基体裂纹个数及之间的间距，及材料两个端面与邻近裂纹之间的距离，并从小到大排序；将横截面上的纤维分为独立纤维、单点接触纤维、两点接触纤维及多点接触纤维，统计相应类型纤维的个数；计算每种类型纤维外侧碳界面的面积，及材料含有的碳质量分数；计算材料在不同氧化时刻下的界面消耗长度；比较界面消耗长度与基体裂纹间距的1/2、材料两个端面与邻近裂纹之间距离的1/2的大小关系，得到碳界面消耗的总长度，最后计算得到界面消耗体积。本发明可以准确给出材料氧化一定时间后碳界面消耗体积及其分布情况。

技术领域

本发明涉及一种陶瓷基复合材料氧化环境碳界面消耗体积确定方法，具体涉及一种单向碳化硅纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料氧化环境下碳界面消耗体积确定方法。

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。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。碳界面的氧化消耗使得SiC纤维和基体直接接触，相互之间的摩擦阻力增大，同时引起材料内部应力集中，在载荷作用下容易引起材料的脆性断裂。

快速有效的计算出单向SiC/SiC材料内部碳界面消耗体积及分布，能够为材料服役过程中的强度、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。目前，对于确定单向SiC/SiC材料内部碳界面消耗体积及分布的技术主要有以下两种：

文献“Oxidation Mechanisms and Kinetics of 1D-SiC/C/SiC CompositeMaterials:I,An Experimental Approach.Journal of the American Ceramic Society,1994,77(2):459-66”公开了一种通过实验测试单向SiC/C/SiC材料在氧化环境下界面消耗体积的测试方法，该方法基于热解碳与SiC纤维、基体导电性能的差异，通过对氧化不同时间后的材料进行电阻测试，测得界面的消耗体积。但该方法只考虑垂直纤维方向横截面处界面的氧化，不考虑基体微裂纹的存在对界面氧化的影响，因此与实际不符。另一方面，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。

专利CN103093063B“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”基于平均裂纹间距假设，选取含一条裂纹、一根纤维的代表性体积元，应用氧化动力学方程计算基体裂纹处碳界面消耗长度，但是该方法没有考虑材料初始微裂纹分布的不均匀性对界面氧化消耗的影响，也没有考虑多根纤维相互接触对界面氧化消耗的影响，因此无法准确预测界面消耗体积在单向SiC/SiC材料内部的分布。

因此，有必要提供一种简单有效、能够准确预测界面消耗体积在单向SiC/SiC材料内部分布的方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种陶瓷基复合材料氧化环境碳界面消耗体积确定方法，解决了现有技术存在的不能够准确预测出单向SiC/SiC复合材料在氧化环境下的界面消耗体积分布的问题。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种陶瓷基复合材料氧化环境碳界面消耗体积确定方法，包括如下步骤：