[发明专利]一种陶瓷基复合材料在高温应力环境下剩余刚度计算方法

权利要求书

1.一种陶瓷基复合材料在高温应力环境下剩余刚度计算方法，温度在900～1200℃之间，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：基于高温环境下复合材料氧化动力学模型，确定材料内部氧气浓度变化规律；

步骤二：根据步骤一得到氧气浓度变化规律，结合高温氧化环境下的纤维缺口模型，得到纤维缺口半径随氧化时间的变化规律，并进一步确定氧化过程中纤维拉伸强度变化规律；

步骤三：根据剪滞模型，确定氧化前纤维应力分布，并结合Curtin拉伸强度理论，确定氧化前材料拉伸强度模型；

步骤四：根据纤维正方规则分布规律和单胞尺寸，确定氧化过程中纤维氧化层数及纤维断裂比例；

步骤五：基于步骤三和步骤四的结果，确定氧化过程中纤维拉伸断裂概率和纤维应力分布；

步骤六：基于步骤二和步骤五的结果，确定每层纤维氧化断裂时间的变化规律；

步骤七：基于步骤五和步骤六的结果，确定氧化过程中的材料拉伸刚度变化规律。

2.如权利要求1所述的一种陶瓷基复合材料在高温应力环境下剩余刚度计算方法，其特征在于：步骤一具体如下：

基于高温环境下C/SiC复合材料的氧化动力学模型：

边界条件为：

由此得到裂纹底端材料内部氧气浓度变化规律，即氧气浓度随温度、应力的变化关系；

式(1)中，y为沿基体裂纹深度方向的坐标值，为氧气在y处的扩散系数，为氧气在y处的摩尔分数，e(y)为y处的裂纹宽度，为y处的氧气浓度，为二氧化硅(SiO₂)的密度，B(y)为y处的抛物线速率常数，δ(y)为y处的SiO₂层厚度，为SiO₂的摩尔质量；

式(2)中，C_c为裂纹通道入口处的氧气浓度，计算公式为为外部环境中氧气的摩尔分数，P为环境压强，R为气体常数，T为环境温度；K_C为C相的氧化速率，计算公式为K_C＝k₀exp(-E_r/RT)，其中k₀为C的反应速率常数，E_r为C相的反应活化能；L为基体涂层厚度，为氧气在基体裂纹深度方向最大值处的扩散系数，为氧气在基体裂纹深度方向最大值处的摩尔分数，为基体裂纹深度方向最大值处的氧气浓度，为标准大气压下纯氧环境下氧气浓度，计算公式为

3.如权利要求2所述的一种陶瓷基复合材料在高温应力环境下剩余刚度计算方法，其特征在于：步骤二具体如下：

基于高温氧化环境下的纤维缺口模型，结合步骤一得到的材料内部氧气浓度变化规律，得到纤维缺口半径随氧化时间的变化规律：

式(3)中，t为氧化时间，t_s为界面氧化临界时间，Rad_I为界面段的临界角度值，在t_s之前，只氧化热解碳界面部分，θ为纤维氧化方向与x轴的夹角，r为氧化半径，为界面层的氧化速率，为纤维外层的氧化速率，ρ_C为C相的密度，h_I为界面层厚度，R_f0为完好纤维半径，π为圆周率；

基于线弹性断裂力学理论，假设纤维断裂韧性保持不变，得到氧化过程中纤维拉伸强度变化规律，即纤维拉伸强度随缺陷深度的变化关系：

式(4)中，是纤维的拉伸强度；为完好纤维的拉伸强度，a_f表示纤维缺陷深度；a_f0为临界缺陷深度，a_f0的计算公式为：

式(5)中，K_IC表示的是临界应力拉伸强度因子；Y是与材料几何形状相关的参数；为完好纤维的拉伸强度；

由式(3)得到的纤维缺口半径，确定缺陷深度最大即处纤维缺陷深度随时间的变化关系：

式(6)中，a_f为纤维缺陷深度。