申请/专利权人：南京航空航天大学

申请日：2020-06-09

公开（公告）日：2024-04-12

公开（公告）号：CN111785335B

主分类号：G16C60/00

分类号：G16C60/00

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.12#授权;2020.11.03#实质审查的生效;2020.10.16#公开

摘要：本发明公开了一种应力水氧耦合环境单向陶瓷基复合材料剩余强度与剩余刚度预测方法；方法确定单向SiCSiC复合材料内部水蒸气与氧气浓度、碳界面消耗长度及材料基体纤维氧化物厚度变化规律：结合水蒸气与氧气的扩散系数，建立单向SiCSiC复合材料在水氧耦合环境下的氧化动力学方程，结合水蒸气及氧气的边界条件，求解方程得到水蒸气及氧气在材料内部不同时刻不同位置处的浓度，基于水蒸气及氧气浓度求出界面消耗长度及氧化物厚度变化规律；本发明为单向SiCSiC复合材料的安全使用提供理论支持，且计算过程简洁有效，省去了实验方法的时间和人力成本。

主权项：1.一种应力水氧耦合环境单向陶瓷基复合材料剩余强度与剩余刚度预测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、确定单向SiCSiC复合材料在高温下的裂纹宽度和裂纹密度：根据基体所承受的应力及热残余应力及温度，计算出单向SiCSiC复合材料基体中裂纹宽度随应力及温度的变化规律及基体裂纹密度随应力的变化；步骤2、确定水蒸气和氧气在裂纹中的扩散系数：基于传质学多元扩散理论，综合氧化剂与生成物情况，计算出水蒸气和氧气在裂纹中的扩散系数；步骤3、确定单向SiCSiC复合材料内部水蒸气与氧气浓度、碳界面消耗长度及材料基体纤维氧化物厚度变化规律：结合步骤2中水蒸气与氧气的扩散系数，建立单向SiCSiC复合材料在水氧耦合环境下的氧化动力学方程，结合水蒸气及氧气的边界条件，求解方程得到水蒸气及氧气在材料内部不同时刻不同位置处的浓度，基于水蒸气及氧气浓度求出界面消耗长度及氧化物厚度变化规律；所述步骤3包括以下步骤：水蒸气和氧气在材料内的扩散分为两个阶段，第一阶段是水蒸气和氧气在基体裂纹中扩散和反应，第二阶段是水蒸气和氧气在界面环形孔洞中扩散和反应；对于第一阶段，建立的氧化动力学模型由下式表达： 式中，rt为基体外表面到纤维圆心的距离，y表示基体裂纹深度方向坐标，d为高温下裂纹宽度的一半，为某时刻t、某一基体裂纹深度y处SiO2层相对于未发生氧化时的裂纹壁突出的厚度，C0为混合气体总浓度，DOeff1、DHeff1为氧气和水蒸气在基体裂纹中的扩散系数，分别为氧气与水蒸气的浓度，分别表示100kPa纯氧或纯水蒸气环境下材料的抛物线速率常数，C*表示100kPa环境下氧化剂浓度，pm为基体与氧气反应指数，由试验拟合而得，gmO、gmH分别为基体生成1molSiO2所需的氧气和水蒸气的物质的量，rs为SiO2的密度，Ms为SiO2的摩尔质量，hm为基体产生的SiO2厚度，αO、αH为混合气体分别除去其中分别氧气和水蒸气之外的剩余部分的总摩尔通量与氧气与水蒸气的摩尔通量的比值；对于第二阶段，建立的氧化动力学模型由下式表达： 式中，DOeff2、DHeff2分别为氧气和水蒸气在界面环形孔洞中的扩散系数，z表示纤维轴向方向的坐标值，rm和rf分别为z处界面环形孔洞基体一侧和纤维一侧到纤维圆心的距离，gfO、gfH分别为纤维生成1molSiO2所需的氧气和水蒸气的物质的量，hf为纤维产生的SiO2厚度，pf为纤维与氧气反应指数；其中：100kPa纯氧或纯水蒸气环境下材料的抛物线速率常数分别通过下式求解： 式中，分别为O2、H2O在无定形SiO2中的扩散率，为形成单位体积SiO2所需要的O2、H2O分子数，为O2、H2O在氧化层中的溶解度；C*和C0均通过理想气体状态方程求得： 式中，P为一个标准大气压，即0.1MPa，R为理想气体常数，T为温度；边界条件为：1氧气边界条件裂纹顶端处，y＝0： 碳氧反应面处，z＝lr： 式中，lr为界面退化长度，KC表示碳氧化速率常数，由下式确定：kc＝k0exp-QRT式中，k0为常数，R为理想气体常数，Q为反应活化能，T为温度；在裂纹底端，同时也是界面环形孔洞的起始处，假设氧化剂不发生额外的消耗，边界条件表示如下： 式中，π为圆周率；2水蒸气边界条件裂纹顶端处，y＝0： 在裂纹底端，即界面环形孔洞的起始处： 在碳水反应面，z＝lr，由于水的存在有抑制碳相氧化，因此视为此处不发生水蒸气与碳界面的氧化反应，则有： 基于水蒸气不参与碳界面的氧化的假设，碳界面消退的速率根据氧气在CO2反应面的消耗速率确定，由下式表示： 式中，b为1molO2消耗的C的物质的量，MC为C的摩尔质量，rC为C的密度；结合氧气和水蒸气的边界条件，采用的四阶龙格库塔法，分别求解以上四个微分方程组，不同时刻不同位置处氧气和水蒸气浓度，利用水蒸气与氧气浓度进而分别求得氧气和水蒸气引起的材料内部纤维、基体上的氧化层厚度和碳界面消退长度，复合材料内部纤维和基体上氧化层总厚度为与氧气反应生成的厚度和与水蒸气反应生成的厚度之和；步骤4、确定单向SiCSiC复合材料纤维弹性模量及纤维特征强度分布：纤维在水氧环境中氧化产生缺陷，由此计算纤维弹性模量，再结合步骤3得到的氧化物厚度变化规律，计算纤维特征强度分布规律；步骤5、确定单向SiCSiC复合材料单根SiC纤维的应力分布规律：基于步骤3所得到的界面消耗情况和步骤4所得到的纤维弹性模量，计算材料SiC纤维的应力分布规律；步骤6、确定单向SiCSiC复合材料在水氧环境下的纤维断裂比例：假设纤维出现缺陷的概率服从双参数weibull分布，结合步骤4得到的材料纤维特征强度分布规律，计算纤维断裂比例与所受应力的关系；步骤7、确定单向SiCSiC复合材料重新加载后SiC纤维的应力分布和纤维弹性应变：考虑材料氧化应力卸载后再次施加的应力，根据步骤5所得到的应力分布规律计算SiC纤维的应力分布并计算由此产生的弹性应变；步骤8、确定单向SiCSiC复合材料应力水氧环境下的剩余刚度：基于步骤7中所得到的SiC纤维应变，计算材料的剩余刚度；步骤9、确定单向SiCSiC复合材料纤维氧化段的断裂概率和脱粘段的断裂概率：基于步骤4所得到的纤维强度分布规律，分别计算纤维氧化段的断裂概率和脱粘段的断裂概率；步骤10、确定单向SiCSiC复合材料应力水氧环境下的剩余强度：基于步骤6所得到的纤维断裂比例和步骤9所得到的纤维氧化段的断裂概率和脱粘段的断裂概率，计算材料的剩余强度。

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