[发明专利]一种碳/碳复合材料机械剥蚀速率的确定方法

说明书

一种碳/碳复合材料机械剥蚀速率的确定方法，包括下列步骤：(1)使用纤维烧蚀典型外形结合流场参数得到纤维受力分析的结果；(2)使用纤维受力分析结果，结合纤维强度及断裂准则得到纤维的临界破坏高度；(3)结合纤维形貌的演化规律分析纤维的剥蚀频率；(4)使用纤维临界破坏高度和剥蚀频率实现对单根纤维体积剥蚀率的计算；(5)根据上述单根纤维体积剥蚀率，计算单根纤维剥蚀因子；(6)利用单根纤维剥蚀因子结合材料中纤维体积分数计算材料的剥蚀因子。

技术领域

本发明涉及一种用于确定碳/碳复合材料机械剥蚀速率的确定方法，属于材料防热分析领域。

背景技术

碳/碳复合材料是以碳纤维增强碳基体的复合材料，由美国空军材料实验室于20世纪60年代意外得到，由于具有特殊的结构与性能后来得到快速发展，是目前最为先进的烧蚀防热材料。

碳/碳复合材料通过牺牲材料的一部分质量来达到防热效果，碳的氧化、碳氮反应、碳的升华以及高压下的机械剥蚀是其主要质量损失来源，实现对碳/碳复合材料烧蚀、剥蚀质量损失的准确预测对于材料防热设计及材料制备工艺改进具有特别重要的意义。

目前针对碳/碳复合材料的烧蚀预测存在着相对成熟的预测方法，但多是基于试验数据拟合机械剥蚀因子的宏观参数修正方法，针对不同制备、成型工艺条件下获得的材料烧蚀性能差别预测存在普适性不足的问题，同时传统宏观参数修正方法不能反映材料细观尺度的渐进烧蚀行为，对烧蚀性能预测还存在困难，尤其是对于材料在高压环境下的细观尺度的机械剥蚀现象等还缺乏可靠的预测手段。

发明内容

本发明的技术解决问题是：提供一种用于确定碳/碳复合材料机械剥蚀速率的确定方法，根据纤维细观烧蚀形貌演变过程，建立了纤维在细观尺度下的力学模型，给出基于纤维断裂模式的材料剥蚀分析方法，可实现对不同压力、温度环境下的剥蚀速率预测。

本发明的技术解决方案是：一种碳/碳复合材料机械剥蚀速率的确定方法，包括下列步骤：

(1)使用纤维烧蚀典型外形结合流场参数得到纤维受力分析的结果；

(2)使用纤维受力分析结果，结合纤维强度及断裂准则得到纤维的临界破坏高度；

(3)结合纤维形貌的演化规律分析纤维的剥蚀频率；

(4)使用纤维临界破坏高度和剥蚀频率实现对单根纤维体积剥蚀率的计算；

(5)根据上述单根纤维体积剥蚀率，计算单根纤维剥蚀因子；

(6)利用单根纤维剥蚀因子结合材料中纤维体积分数计算材料的剥蚀因子。

纤维受力分析步骤如下：

(1)建立稳态烧蚀时，纤维烧蚀典型外形的受力分析模型；

(2)对上述受力分析模型中的表面压力差简化为作用点位于纤维高度90％处的集中力；

(3)低压状态即小于等于0.5Mpa采用DSMC方法计算纤维表面压力积分得到集中力大小，高压情况即大于0.5Mpa，假设纤维受力大小F与来流压力P成正比即F＝ηP，由低压数据线性外插得到；η为单位纤维半径和单位压强下集中力的大小。

高压情况下，纤维直径为7e-6m时，取F≈1.28849385×10^-10P。

纤维的临界破坏高度确定步骤如下：

将纤维烧蚀中间过程形貌简化为变截面悬臂梁，在自由端受集中载荷F；根据工程力学理论分析得到纤维内部应力，根据第一强度准则得到纤维断裂临界高度。

简化的变截面悬臂梁纵剖面外轮廓线为椭圆线，纤维顶点为椭圆线长轴顶点。

纤维的临界破坏高度h_f,cr公式为