[发明专利]一种陶瓷基复合材料在应力氧化环境下质量变化预测方法

说明书

本发明公开了一种陶瓷基复合材料在应力氧化环境下质量变化预测方法，包括确定材料在应力和高温作用下的基体裂纹数量的变化规律；确定材料在应力和高温作用下的基体裂纹宽度的变化规律；确定氧气在裂纹通道内的扩散系数；分别确定各组分的氧化速率；确定SiC纤维、基体反应前后的体积变化；确定材料在应力、高温氧化环境下的氧化动力学模型；确定裂纹扩散阶段和界面层扩展阶段的氧化动力学模型，确定氧化层变化规律和界面消耗规律；确定应力、高温环境下材料的质量变化规律；本发明方法考虑了应力与高温氧化对单向SiC/SiC复合材料的氧化机理的共同作用，为陶瓷基复合材料在应力氧化环境下的力学性能分析提供了相关理论支持。

技术领域

本发明属于材料质量变化预测技术领域，特别涉及一种陶瓷基复合材料在应力氧化环境下质量变化预测方法。

背景技术

碳化硅纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料(Continuous silicon carbide fiberreinforced silicon carbide composites，以下简称SiC/SiC)的耐高温、低密度、高比强、高比模等优异性能，使其成为航空航天领域不可替代的新型高温结构材料之一，广泛应用于航空、航天发动机热端部件、航空航天往返防热系统、高速刹车、燃气轮机热端部件、高温气体过滤和热交换器等。

在SiC/SiC材料服役过程中，其不仅受到氧化性气体(如氧气)的高温腐蚀，同时要承受一定的载荷。在载荷的作用下，SiC基体会出现许多裂纹，该裂纹会成为氧气进入材料内部的通道。在高温(>900℃)环境下,氧气的进入会造成界面、纤维、基体等组分材料的氧化损伤，进而引起材料的形貌及质量发生改变。

快速有效的计算出单向SiC/SiC材料在应力氧化环境下的质量变化，能够为材料服役过程中的损伤检测、寿命评估提供重要的理论依据，并为材料在应力氧化环境下的可靠性设计提供必备的技术支持。目前，对于确定单向SiC/SiC材料在应力氧化环境下质量变化的技术主要有以下两种：

专利CN105631148A“应力氧化环境下单向陶瓷基复合材料力学性能分析方法”基于裂纹个数、宽度随应力的变化规律和单向C/SiC材料在400-900℃环境下的氧化机理，确定了应力氧化环境下单向C/SiC材料的质量失重率。但是由于SiC/SiC材料和C/SiC材料的氧化机理存在明显差异，该方法不能适用于SiC/SiC材料体系。另外，由于SiC组分在900℃以上会开始发生氧化，该方法不适用于900℃以上的质量变化预测。因此，该方法无法准确预测单向SiC/SiC材料在高温(>900℃)环境下的质量变化。

文献“Oxidation Mechanisms and Kinetics of 1D-SiC/C/SiC CompositeMaterials:II,Modeling.J.am.cream.soc,1994.77(2):p.467-480.”公开了一种通过理论模拟单向SiC/SiC材料在无应力氧化环境下质量变化的测试方法，该方法基于热解碳与SiC纤维、基体在高温(>900℃)环境下的化学反应方程，和传质学的二元扩散理论，对氧化不同时间后的材料形貌和质量变化进行了预测。但该方法仅适用于无应力氧化环境下的质量变化预测，不能用于应力氧化环境下SiC/SiC材料的质量变化预测。此外，该方法只考虑垂直纤维方向横截面处的氧化，不考虑基体裂纹的存在对组分氧化的影响。因此，该方法无法准确预测单向SiC/SiC材料在应力氧化环境下的质量变化。

综上所述，有必要提供一种简单有效、能够准确预测单向SiC/SiC材料在应力氧化环境下的质量变化预测方法。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种陶瓷基复合材料在应力氧化环境下质量变化预测方法，以解决现有技术中对单向SiC/SiC材料质量变化的分析未考虑应力和高温(>900℃)氧化的共同作用的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：