[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

说明书

本发明提出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，能够有效预测高温应力氧化环境下单向C/SiC复合材料剩余刚度。本发明能从微观角度有效反应纤维形貌变化规律，从而准确预测材料宏观性质。本发明考虑了应力与高温（900‑1200℃）氧化对单向C/SiC复合材料的氧化机理的共同作用，为陶瓷基复合材料结构设计和寿命分析提供了相关理论支持。本发明考虑了单根纤维的非均匀氧化和整体纤维的非均匀氧化过程，以及基体的氧化对材料刚度的影响，更符合实际氧化情况，能够更加准确地预测单向C/SiC复合材料的剩余刚度。

技术领域

本发明涉及一种陶瓷基复合材料在高温应力环境下的剩余刚度计算方法，具体涉及一种单向碳纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料在高温(900-1200℃)应力环境下剩余刚度计算方法。

背景技术

碳纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料(Continuous carbon fiber reinforcedsilicon carbide composites，以下简称C/SiC)是航空发动机热端部件的新型高温结构材料，其具备高比强度、比刚度等特性，能有效的实现热端部件的减重。然而C/SiC制成的热端部件在服役过程中会受到氧化性气体以及载荷的共同作用，使得其力学性能大大降低，从而危机复合材料构件的安全性和可靠性。因此有必要建立一种能有效预测C/SiC材料在高温应力环境下剩余刚度的方法，有效预测结构使用寿命，及时避免意外的发生。

现有技术中：

文献“Budiansky B,Hutchinson J W,Evans A G.Matrix fracture in fiber-reinforced ceramics[J].Journal of the Mechanics and Physics of Solids,1986,34(2):167-189.”提供了一种基于界面应力平衡方程计算纤维应力分布的方法，但该模型未考虑纤维氧化对材料形貌以及应力分布的影响，因此，不能用于高温氧化环境下的剩余刚度预测。

文献“Xu Y,Zhang P,Lu H,et al.Numerical modeling of oxidized C/SiCmicrocomposite in air oxidizing environments below 800℃:Microstructure andmechanical behavior[J].Journal of the European Ceramic Society,2015,35(13):3401-3409.”提供了一种基于C纤维反应速率线性变化的纤维氧化缺口模型，模拟中温(700-900℃)环境下的纤维氧化消耗情况，利用有限元方法计算RVE模型的最大拉伸应力。但是该模型不适用于高温(900℃)环境下高氧化速率的情况，不能用于高温氧化环境下的剩余刚度预测。

文献“Lamouroux F,Naslain R,Jouin J M.Kinetics and Mechanisms ofOxidation of 2D Woven C/SiC Composites:II,Theoretical Approach[J].Journal ofthe American Ceramic Society,1994,77(8):2058-2068”提供了一种基于二元扩散理论和气固传质理论的氧化动力学模型，模拟了高温(700-1500℃)氧化环境下C/SiC复合材料内部氧化消耗情况和氧气浓度变化。但该模型仅考虑材料质量变化，未考虑应力的影响，因此，不能用于高温应力氧化环境下剩余刚度的预测。

文献“2D-C/SiC复合材料的氧化损伤及刚度模型”基于细观结构的变化建立计算公式，预测材料起始拉伸模量随氧化时间的改变量，但该模型仅考虑在中温(700-900℃)环境下纤维氧化消耗情况，并不适用于高温氧化环境下剩余刚度预测。