[发明专利]一种高温氧化环境陶瓷基复合材料任意加卸载应力应变曲线预测方法

说明书

本发明公开了一种高温氧化环境陶瓷基复合材料任意加卸载应力应变曲线预测方法，该方法能有效模拟单向SiC/SiC复合材料在高温氧化环境下任意加卸载应力应变曲线，该方法考虑了高温氧化环境下基体裂纹密度和宽度、界面氧化消耗长度、纤维拉伸强度对加载时界面滑移区长度及分布对复合材料应力应变曲线的影响；本发明可以为单向SiC/SiC复合材料在高温氧化环境下谱载荷加载下的疲劳寿命的计算提供理论基础；本发明克服了单向陶瓷基复合材料任意加卸载氧化试验测试成本高，消耗人力物力大的缺点，可节省大量的人力物力。

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，特别涉及一种高温氧化环境陶瓷基复合材料任意加卸载应力应变曲线预测方法。

背景技术

碳化硅纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料(Silicon carbide fiber reinforcedsilicon carbide composites，以下简称SiC/SiC)是航空发动机热端部件的新型高温结构材料，其具备高比强度、比刚度等特性，能有效实现热端部件的减重。在服役环境下，SiC/SiC复合材料构件一方面要承受高温氧化环境带来的损伤，另一方面，SiC/SiC复合材料构件还要承担的外加载荷，而大多数外加载荷是变载荷或者随机载荷，载荷的不恒定使材料内部的组分(基体、界面和纤维)变化比恒幅载荷下更复杂。考虑SiC/SiC复合材料在高温氧化环境下及任意加卸载对复合材料内部组分的影响，预测SiC/SiC复合材料的应力应变关系可以为分析材料在服役环境下的疲劳寿命打下坚实的基础。

现有技术中，文献“陶瓷基复合材料的基体失效模型”主要研究了陶瓷基复合材料基体开裂与外载的关系，采用了蒙特卡洛法模拟陶瓷基复合材料基体裂纹生成，得到了不同加载应力下基体裂纹的间距及位置，为单向SiC/SiC复合材料在任意加卸载载荷基体裂纹演变提供了分析基础。文献“Modeling of damage in unidirectional ceramic matrixcomposites and multi-scale experimental validation on third generation SiC/SiC minicomposites”主要研究了基体裂纹宽度与外加应力及温度的关系，并通过实验测得200MPa常温环境下SiC/SiC复合材料的裂纹宽度为0.2微米。专利CN110096732A“一种陶瓷基复合材料在应力氧化环境下剩余刚度预测方法”、CN109992850A“一种陶瓷基复合材料应力氧化环境剩余拉伸强度预测方法”、CN110096731A“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”提出了一种高温氧化环境下氧化动力学模型，基于此模型计算了不同时刻材料内部不同位置处的氧气浓度、界面消耗长度、SiC纤维在裂纹处表面氧化层厚度随应力、温度与时间的变化规律，确定SiC纤维表面氧化缺陷尺寸并推导SiC纤维特征强度分布表达式，但研究的是在蠕变单拉应力氧化环境下的氧化形貌，没有对任意加卸载载荷下的氧化形貌进行研究。文献“复杂预制体陶瓷基复合材料疲劳失效机理及多尺度模拟”主要研究了陶瓷基复合材料的疲劳失效，得到了在任意加卸载下单向SiC/SiC复合材料界面滑移区的分布规律，但没有考虑高温氧化环境对陶瓷基复合材料内部组分的影响。文献“长纤维增强陶瓷基复合材料疲劳损伤模型与寿命预测”主要通过剪滞模型研究了陶瓷基复合材料的疲劳失效，给出了剪滞模型的计算公式，还通过计算得到了纤维随机失效百分数、界面剪应力随循环数的变化规律，但无法用来模拟单向SiC/SiC在高温氧化环境下的应力应变曲线。文献“Modeling the effect of oxidation on hysteresis loops ofcarbon fiber-reinforced ceramic-matrix composites under static fatigue atelevated temperature”主要研究了高温氧化对C/SiC复合材料的常幅疲劳迟滞耗散能及界面滑移的影响，考虑了高温氧化对C/SiC复合材料界面消耗长度的影响，未考虑纤维氧化对纤维强度的影响，也未考虑基体裂纹的氧化对氧气通道宽度的影响，无法用来模拟单向SiC/SiC复合材料在任意加卸载下的应力应变曲线。