[发明专利]氧化环境中单向C/SiC复合材料细观应力的检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种单向C/SiC复合材料细观应力的检测方法，具体是一种氧化环境中单向C/SiC复合材料细观应力的检测方法。

背景技术

碳纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料(Continuous carbon fiber reinforced silicon carbide composites，简称C/SiC)的耐高温、低密度、高比强度、高比模量等优异性能，使其逐渐接替金属成为新一代高温结构材料。C/SiC复合材料在应用中存在的一个主要问题是碳纤维在温度高于400℃的氧化环境中易于氧化。由于碳化硅基体与碳纤维束、界面之间的热膨胀系数不匹配，制备后的C/SiC复合材料的基体上通常存在许多微裂纹，这些微裂纹会成为氧化介质的流动通道，从而导致氧化介质进入复合材料内部，氧化侵蚀界面和纤维，造成材料整体性能的退化。因此高温氧化环境中服役的C/SiC复合材料，在承受服役载荷的同时，还要受到氧化介质的侵蚀，材料的应力分布不仅与服役载荷相关，还与氧化环境有着密切联系。

合理的预测氧化环境中C/SiC复合材料的细观应力，能够为材料服役过程中的损伤预判、寿命评估提供重要的理论依据，并为材料可靠性设计提供必备的技术支撑。目前，应用氧化环境中C/SiC复合材料细观应力预测的技术主要有以下两种：

文献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 30，1999，537-547”公开了一种通过实验方法测试C/SiC复合材料在氧化环境中受载时的力学行为，但是材料的制备、测试过程在时间、人力、物力上的大量损耗，限制了实验方法在材料设计中的应用。

文献2“E Lara-Curzio.Analysis of oxidation-assisted stress-rupture of continuous fiber-reinforced ceramic matrix composites at intermediate temperature.Composites：Part A 30，1999，549-554”公开了一种通过建立细观力学模型检测单向C/SiC复合材料细观应力的方法，该方法将细观力学方法应用于构型较为简单的单向C/SiC复合材料，建立其在氧化环境中的平均应力的细观力学模型，计算了氧化对材料细观应力的影响。然而，细观力学模型仅给出了氧化环境中的材料平均应力的数据结果，实际上细观应力在材料内的分布十分复杂，随着不同的区域而变化，细观力学模型缺乏对应力分布的精确描述，另外采用平均应力不可避免的降低了应力分析的准确度。

以上现有的技术中实验方法成本高、耗时长，细观力学模型精度低、缺乏对应力分布的准确描述，因此无法高效、准确的预测氧化环境中C/SiC复合材料的细观应力。

发明内容

为了克服现有的单向C/SiC复合材料细观应力的检测方法应力分析准确度差的不足，本发明提供一种氧化环境中单向C/SiC复合材料细观应力的检测方法。该方法应用氧化反应动力学方程模拟微结构氧化过程，得到复合材料微结构在不同氧化时刻下的几何模型；建立氧化后的微结构有限元模型，进行细观应力的有限元计算；借助于ANSYS强大的后处理功能，准确的显示细观应力场在氧化后复合材料微结构内的复杂分布，可以提高单向C/SiC复合材料细观应力的检测方法应力分析的准确度。

本发明的技术方案是：一种氧化环境中单向C/SiC复合材料细观应力的检测方法，其特点是包括下述步骤：

(a)根据已知的单向C/SiC复合材料的周期性微结构几何参数以及各组分材料性能，构建初始状态下的单向C/SiC复合材料周期性微结构的二维网格模型；网格模型包含孔隙网格、碳纤维束网格、碳界面网格和碳化硅基体网格；

(b)对于碳-氧气反应界面上的含碳网格，有如下的氧化反应动力学方程：

               K_INCt＝ρ_IΔx/M_I，K_FNCt＝ρ_FΔx/M_F    (1)