[发明专利]一种陶瓷基复合材料微观断裂韧性原位测试方法

权利要求书

1.一种陶瓷基复合材料微观断裂韧性原位测试方法，其特征在于，包括：

对待测试的陶瓷基复合材料进行加工，得到用于原位测试的试样；

在试样的表面加工圆柱形微柱，并测定圆柱形微柱的实际半径；

对圆柱形微柱进行劈裂测试，记录相应的临界载荷；

利用有限元方法进行圆柱形微柱劈裂模拟，基于劈裂模拟所用的模拟临界应力强度因子、模拟圆柱形微柱半径和模拟所得临界载荷，计算修正因子；

基于圆柱形微柱的实际半径、所述修正因子及相应的临界载荷，计算对应的临界应力强度因子。

2.根据权利要求1所述的陶瓷基复合材料微观断裂韧性原位测试方法，其特征在于：

所述对待测试的陶瓷基复合材料进行加工，得到用于原位测试的试样，包括：

确定待测试的陶瓷基复合材料的纤维束方向；

垂直纤维束方向切割陶瓷基复合材料，以确定用于原位测试的表面，并将切割得到的块体样品切成方形的试样；

对所述试样上用于原位测试的表面进行打磨抛光；所述试样上用于原位测试的表面与所述试样的底面平行，且含有陶瓷基体富集区与纤维横剖面富集区。

3.根据权利要求2所述的陶瓷基复合材料微观断裂韧性原位测试方法，其特征在于：

所述在试样的表面加工圆柱形微柱，包括：

在用于原位测试的表面上，定位陶瓷基体富集区与纤维横剖面富集区；

分别在陶瓷基体富集区中的陶瓷基体处与纤维横剖面富集区中的纤维横剖面处加工多个圆柱形微柱。

4.根据权利要求2所述的陶瓷基复合材料微观断裂韧性原位测试方法，其特征在于：

所述对圆柱形微柱进行劈裂测试，记录相应的临界载荷，包括：

在纳米力学测试系统中固定所述试样，令用于原位测试的表面与纳米力学测试系统的压头装配方向垂直；

装配金刚石锥形压头用于劈裂测试；

利用装配的压头作为扫描探针，对被测试的圆柱形微柱的圆心进行原位精确定位；

向被测试的圆柱形微柱施加轴向载荷，实时记录载荷和位移数据，直至被测试的圆柱形微柱发生劈裂破坏；

记录使被测试的圆柱形微柱发生劈裂破坏的临界载荷。

5.根据权利要求1所述的陶瓷基复合材料微观断裂韧性原位测试方法，其特征在于：

所述基于劈裂模拟所用的模拟临界应力强度因子、模拟圆柱形微柱半径和模拟所得临界载荷，计算修正因子γ，采用如下公式：

其中，R₀表示模拟圆柱形微柱半径，K_{IC_Input}表示模拟临界应力强度因子，P’_Instability表示模拟所得临界载荷。

6.根据权利要求5所述的陶瓷基复合材料微观断裂韧性原位测试方法，其特征在于：

所述利用有限元方法进行圆柱形微柱劈裂模拟，包括：

在有限元软件中根据被测试的圆柱形微柱及压头的尺寸与材料建立相应模型；其中，压头设为完美刚性材料，圆柱形微柱设为弹性-完美塑性体；

利用对称边界条件，沿周向选取圆柱形微柱的1/3模型，在圆柱形微柱的1/3模型的纵切平分面设置内聚力单元，并预设模拟临界应力强度因子；

对圆柱形微柱的1/3模型施加位移边界条件，令压头在圆柱形微柱的1/3模型的轴心处加载，模拟圆柱形微柱劈裂过程；

通过有限元方法计算压头处的载荷和位移数据，记录位移突降时临界载荷作为模拟所得临界载荷。

7.根据权利要求1所述的陶瓷基复合材料微观断裂韧性原位测试方法，其特征在于：

所述基于圆柱形微柱的尺寸、所述修正因子及相应的临界载荷，计算对应的临界应力强度因子K_IC，采用如下公式：

其中，R表示圆柱形微柱的实际半径，γ表示修正因子，P_Instability表示相应的临界载荷。

8.根据权利要求1所述的陶瓷基复合材料微观断裂韧性原位测试方法，其特征在于：

所述圆柱形微柱的直径范围为3～5μm。