專利名稱：氧化環(huán)境中單向C/SiC復(fù)合材料細(xì)觀應(yīng)力的檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種單向C/SiC復(fù)合材料細(xì)觀應(yīng)力的檢測(cè)方法，具體是一種氧化環(huán)境中單向C/SiC復(fù)合材料細(xì)觀應(yīng)力的檢測(cè)方法。
背景技術(shù)：
碳纖維增韌碳化硅陶瓷基復(fù)合材料(Continuous carbon fiber reinforced silicon carbide composites，簡稱C/SiC)的耐高溫、低密度、高比強(qiáng)度、高比模量等優(yōu)異性能，使其逐漸接替金屬成為新一代高溫結(jié)構(gòu)材料。C/SiC復(fù)合材料在應(yīng)用中存在的一個(gè)主要問題是碳纖維在溫度高于400°C的氧化環(huán)境中易于氧化。由于碳化硅基體與碳纖維束、界面之間的熱膨脹系數(shù)不匹配，制備后的C/SiC復(fù)合材料的基體上通常存在許多微裂紋，這些微裂紋會(huì)成為氧化介質(zhì)的流動(dòng)通道，從而導(dǎo)致氧化介質(zhì)進(jìn)入復(fù)合材料內(nèi)部，氧化侵蝕界面和纖維，造成材料整體性能的退化。因此高溫氧化環(huán)境中服役的C/SiC復(fù)合材料，在承受服役載荷的同時(shí)，還要受到氧化介質(zhì)的侵蝕，材料的應(yīng)力分布不僅與服役載荷相關(guān)，還與氧化環(huán)境有著密切聯(lián)系。合理的預(yù)測(cè)氧化環(huán)境中C/SiC復(fù)合材料的細(xì)觀應(yīng)力，能夠?yàn)椴牧戏圻^程中的損傷預(yù)判、壽命評(píng)估提供重要的理論依據(jù)，并為材料可靠性設(shè)計(jì)提供必備的技術(shù)支撐。目前， 應(yīng)用氧化環(huán)境中C/SiC復(fù)合材料細(xì)觀應(yīng)力預(yù)測(cè)的技術(shù)主要有以下兩種文獻(xiàn) 1“R Naslain, J Lamon, R Pailler, et al. Micro/minicomposites :a useful approach to the design and development of non-oxide CMCs. Composites :Part A 30， 1999，537447”公開了一種通過實(shí)驗(yàn)方法測(cè)試C/SiC復(fù)合材料在氧化環(huán)境中受載時(shí)的力學(xué)行為，但是材料的制備、測(cè)試過程在時(shí)間、人力、物力上的大量損耗，限制了實(shí)驗(yàn)方法在材料設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。JC 2 "E Lara-Curzio. Analysis of oxidation-assisted stress-rupture of continuous fiber-reinforced ceramic matrix composites at intermediate temperature. Composites =Part A 30，1999，549-5M” 公開了一種通過建立細(xì)觀力學(xué)模型檢測(cè)單向C/SiC復(fù)合材料細(xì)觀應(yīng)力的方法，該方法將細(xì)觀力學(xué)方法應(yīng)用于構(gòu)型較為簡單的單向C/SiC復(fù)合材料，建立其在氧化環(huán)境中的平均應(yīng)力的細(xì)觀力學(xué)模型，計(jì)算了氧化對(duì)材料細(xì)觀應(yīng)力的影響。然而，細(xì)觀力學(xué)模型僅給出了氧化環(huán)境中的材料平均應(yīng)力的數(shù)據(jù)結(jié)果， 實(shí)際上細(xì)觀應(yīng)力在材料內(nèi)的分布十分復(fù)雜，隨著不同的區(qū)域而變化，細(xì)觀力學(xué)模型缺乏對(duì)應(yīng)力分布的精確描述，另外采用平均應(yīng)力不可避免的降低了應(yīng)力分析的準(zhǔn)確度。以上現(xiàn)有的技術(shù)中實(shí)驗(yàn)方法成本高、耗時(shí)長，細(xì)觀力學(xué)模型精度低、缺乏對(duì)應(yīng)力分布的準(zhǔn)確描述，因此無法高效、準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)氧化環(huán)境中C/SiC復(fù)合材料的細(xì)觀應(yīng)力。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有的單向C/SiC復(fù)合材料細(xì)觀應(yīng)力的檢測(cè)方法應(yīng)力分析準(zhǔn)確度差的不足，本發(fā)明提供一種氧化環(huán)境中單向C/SiC復(fù)合材料細(xì)觀應(yīng)力的檢測(cè)方法。該方法應(yīng)用氧化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程模擬微結(jié)構(gòu)氧化過程，得到復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)在不同氧化時(shí)刻下的幾何模型；建立氧化后的微結(jié)構(gòu)有限元模型，進(jìn)行細(xì)觀應(yīng)力的有限元計(jì)算；借助于ANSYS強(qiáng)大的后處理功能，準(zhǔn)確的顯示細(xì)觀應(yīng)力場(chǎng)在氧化后復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)內(nèi)的復(fù)雜分布，可以提高單向C/SiC復(fù)合材料細(xì)觀應(yīng)力的檢測(cè)方法應(yīng)力分析的準(zhǔn)確度。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種氧化環(huán)境中單向C/SiC復(fù)合材料細(xì)觀應(yīng)力的檢測(cè)方法，其特點(diǎn)是包括下述步驟(a)根據(jù)已知的單向C/SiC復(fù)合材料的周期性微結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)以及各組分材料性能，構(gòu)建初始狀態(tài)下的單向C/SiC復(fù)合材料周期性微結(jié)構(gòu)的二維網(wǎng)格模型；網(wǎng)格模型包含孔隙網(wǎng)格、碳纖維束網(wǎng)格、碳界面網(wǎng)格和碳化硅基體網(wǎng)格；(b)對(duì)于碳-氧氣反應(yīng)界面上的含碳網(wǎng)格，有如下的氧化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程K1NCt =P1A x/Mj, KpNCt = P F Δ x/MF (1)式中，K1是碳界面的氧化反應(yīng)速率常數(shù)，P j是碳界面的密度，M1是碳界面的摩爾質(zhì)量，Kf是碳纖維束的氧化反應(yīng)速率常數(shù)，P F是碳纖維束的密度，Mf是碳纖維束的摩爾質(zhì)量；C是碳-氧氣反應(yīng)界面處的氧氣濃度；N是該含碳網(wǎng)格相鄰的孔隙網(wǎng)格的個(gè)數(shù)；ΔΧ是網(wǎng)格的邊長；t是氧化反應(yīng)時(shí)間；其中，碳纖維束的氧化反應(yīng)速率常數(shù)Kf、碳界面的氧化反應(yīng)速率常數(shù)K1由以下公式計(jì)算Kf = 6452.35exp(-^/i r)，K1 = IOKf (2)式中，是碳纖維束的氧化反應(yīng)活化能；T是環(huán)境溫度；R是氣體普適常數(shù)，R等于 8.3145J/mol · K；反應(yīng)面的氧氣濃度由以下公式計(jì)算C = P/RT(3)P是空氣中的氧氣分壓；由式(1)計(jì)算得到完全消耗碳界面、碳纖維束網(wǎng)格內(nèi)的碳所需反應(yīng)時(shí)間分別為t = P ΧΔ x/MjKjNC, t = P F Δ x/MFKFNC (4)以公式(1)、(4)為基礎(chǔ)，迭代模擬指定氧化時(shí)間內(nèi)的微結(jié)構(gòu)氧化過程，建立相應(yīng)的氧化后的微結(jié)構(gòu)二維網(wǎng)格模型，具體迭代過程包括如下三步第一步針對(duì)反應(yīng)界面上所有含碳網(wǎng)格，采用式(4)計(jì)算各網(wǎng)格內(nèi)的碳被完全氧化消耗所需要的時(shí)間。第二步在第一步計(jì)算得到的全部時(shí)間中，選取一個(gè)最短時(shí)間作為時(shí)間步長代入到氧化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程即式(1)，計(jì)算出反應(yīng)界面上所有含碳網(wǎng)格在該時(shí)間步長內(nèi)的氧化消耗情況，完全消耗的含碳網(wǎng)格將被孔隙網(wǎng)格替換，沒有完全消耗的含碳網(wǎng)格依然保持其原有的材料屬性，網(wǎng)格內(nèi)的碳的含量要減去氧化消耗的量。第三步重復(fù)第一步和第二步，直到累加的時(shí)間步長達(dá)到指定的氧化時(shí)間，得到該時(shí)刻的微結(jié)構(gòu)二維網(wǎng)格模型。(c)對(duì)氧化后的二維網(wǎng)格模型的孔隙邊界進(jìn)行光順化處理，將鋸齒形的空隙邊界轉(zhuǎn)化為光滑的曲線，得到氧化后的微結(jié)構(gòu)二維剖面模型，以氧化后的微結(jié)構(gòu)二維剖面模型為基礎(chǔ)，采用有限元軟件ANSYS生成氧化后的微結(jié)構(gòu)三維有限元模型。(d)對(duì)微結(jié)構(gòu)三維有限元模型施加周期性位移邊界條件，保證外界載荷作用下的復(fù)合材料應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的周期性和連續(xù)性。
(e)對(duì)微結(jié)構(gòu)三維有限元模型施加載荷邊界條件，采用有限元軟件ANSYS進(jìn)行有限元分析計(jì)算，得到微結(jié)構(gòu)內(nèi)的細(xì)觀應(yīng)力場(chǎng)分布。本發(fā)明的有益效果是由于該方法應(yīng)用氧化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程模擬微結(jié)構(gòu)氧化過程，得到了復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)在不同氧化時(shí)刻下的幾何模型；建立氧化后的微結(jié)構(gòu)有限元模型，進(jìn)行細(xì)觀應(yīng)力的有限元計(jì)算，從建模到計(jì)算的整個(gè)過程簡潔高效，克服了實(shí)驗(yàn)方法成本高、耗時(shí)長的缺點(diǎn)；借助于ANSYS強(qiáng)大的后處理功能，準(zhǔn)確的顯示細(xì)觀應(yīng)力場(chǎng)在氧化后復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)內(nèi)的復(fù)雜分布，提高了單向C/SiC復(fù)合材料細(xì)觀應(yīng)力的檢測(cè)方法應(yīng)力分析的準(zhǔn)確度，解決了細(xì)觀力學(xué)模型精度低、缺乏應(yīng)力分布準(zhǔn)確描述的問題。下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說明。


圖1是初始狀態(tài)下的單向C/SiC復(fù)合材料周期性微結(jié)構(gòu)的幾何模型。圖2是微結(jié)構(gòu)幾何模型在YOZ坐標(biāo)平面內(nèi)的剖視圖。圖3是初始狀態(tài)下微結(jié)構(gòu)的二維網(wǎng)格模型的1/4部分。圖4是氧化10個(gè)小時(shí)后的微結(jié)構(gòu)的二維網(wǎng)格模型的1/4部分。圖5是氧化10個(gè)小時(shí)后的微結(jié)構(gòu)的二維剖面模型。
具體實(shí)施例方式參照?qǐng)D1 5。下面針對(duì)600°C、IOOKPa空氣環(huán)境中某承受拉伸位移載荷的單向 C/SiC復(fù)合材料，預(yù)測(cè)其氧化10個(gè)小時(shí)后的微結(jié)構(gòu)內(nèi)部細(xì)觀應(yīng)力。該單向C/SiC復(fù)合材料中碳纖維束的半徑R為2mm，碳界面和碳化硅基體的厚度d” dm分別為200 μ m和800 μ m, 基體微裂紋的寬度H。為200 μ m，相鄰微裂紋的間距即周期性微結(jié)構(gòu)的ζ向長度L為16mm。 各組分材料的性能參數(shù)如表1所示。表1組分材料的性能參數(shù)
權(quán)利要求
1. 一種氧化環(huán)境中單向C/SiC復(fù)合材料細(xì)觀應(yīng)力的檢測(cè)方法，其特征在于包括下述步驟(a)根據(jù)已知的單向C/SiC復(fù)合材料的周期性微結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)以及各組分材料性能， 構(gòu)建初始狀態(tài)下的單向C/SiC復(fù)合材料周期性微結(jié)構(gòu)的二維網(wǎng)格模型；網(wǎng)格模型包含孔隙網(wǎng)格、碳纖維束網(wǎng)格、碳界面網(wǎng)格和碳化硅基體網(wǎng)格；(b)對(duì)于碳-氧氣反應(yīng)界面上的含碳網(wǎng)格，有如下的氧化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程 K1NCt = P1A x/Mj, KpNCt =PfA x/Mf (1)式中，K1是碳界面的氧化反應(yīng)速率常數(shù)，P ！是碳界面的密度，N1是碳界面的摩爾質(zhì)量， Kf是碳纖維束的氧化反應(yīng)速率常數(shù)，Pf是碳纖維束的密度，Mf是碳纖維束的摩爾質(zhì)量；C是碳-氧氣反應(yīng)界面處的氧氣濃度；N是該含碳網(wǎng)格相鄰的孔隙網(wǎng)格的個(gè)數(shù)；Δ χ是網(wǎng)格的邊長；t是氧化反應(yīng)時(shí)間；其中，碳纖維束的氧化反應(yīng)速率常數(shù)Kf、碳界面的氧化反應(yīng)速率常數(shù)K1由以下公式計(jì)算Kf = 6452.35exp(-￡;/i r)，Kj = 10Κρ ⑵式中，￡aF是碳纖維束的氧化反應(yīng)活化能；T是環(huán)境溫度；R是氣體普適常數(shù)，R等于 8.3145J/mol · K；反應(yīng)面的氧氣濃度由以下公式計(jì)算
全文摘要
本發(fā)明涉及一種氧化環(huán)境中單向C/SiC復(fù)合材料細(xì)觀應(yīng)力的檢測(cè)方法，用于解決現(xiàn)有的單向C/SiC復(fù)合材料細(xì)觀應(yīng)力的檢測(cè)方法應(yīng)力分析準(zhǔn)確度差的技術(shù)問題。技術(shù)方案是應(yīng)用氧化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程模擬微結(jié)構(gòu)氧化過程，得到了復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)在不同氧化時(shí)刻下的幾何模型；建立氧化后的微結(jié)構(gòu)有限元模型，進(jìn)行細(xì)觀應(yīng)力的有限元計(jì)算，從建模到計(jì)算的整個(gè)過程簡潔高效，克服了實(shí)驗(yàn)方法成本高、耗時(shí)長的缺點(diǎn)；借助于ANSYS強(qiáng)大的后處理功能，準(zhǔn)確的顯示細(xì)觀應(yīng)力場(chǎng)在氧化后復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)內(nèi)的復(fù)雜分布，提高了單向C/SiC復(fù)合材料細(xì)觀應(yīng)力的檢測(cè)方法應(yīng)力分析的準(zhǔn)確度，解決了細(xì)觀力學(xué)模型精度低、缺乏應(yīng)力分布準(zhǔn)確描述的問題。
文檔編號(hào)G06F17/50GK102339348SQ20111023042
公開日2012年2月1日 申請(qǐng)日期2011年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月11日
發(fā)明者張衛(wèi)紅, 許英杰 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)