[发明专利]一种陶瓷基复合材料结构的氧化寿命预测方法

权利要求书

1.一种陶瓷基复合材料结构的氧化寿命预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：根据工况条件，建立CMCs结构件的宏观模型并通过有限元计算CMCs结构件中的温度与应力分布；

步骤2：根据步骤1中的温度与应力分布，基于均匀化方法计算CMCs结构件中各单元内部的氧气浓度分布；

步骤3：根据步骤2中氧气浓度分布的计算结果，基于氧化动力学模型计算CMCs结构件中各单元内部的细观氧化形貌参数；

步骤4：根据步骤3中获取的细观氧化形貌参数，计算CMCs结构件各单元的细观力学性能参数；

步骤5：根据步骤4中获取的细观力学性能参数，计算各编织单胞的力学性能参数；所述力学性能参数包括单元剩余强度；

步骤6：确定宏观结构氧化后的应力分布，将步骤5中获取的编织单胞的力学性能参数作为宏观模型中各单元氧化后的材料参数进行重新定义，对“热-力-氧”耦合环境下CMCs结构件的宏观模型再次进行有限元计算以获取氧化后结构中的应力分布及单元应力；

步骤7：预测结构件的氧化寿命，将步骤6中获取的单元应力与步骤5中获取的单元剩余强度进行比较，若单元应力大于单元剩余强度则认为此单元失效，若失效单元累积形成贯穿的失效单元组则认为结构失效，否则增加氧化时间继续调节结构件中的“扩散-氧化”过程，重复上述步骤直至结构失效，此时的氧化时间为该CMCs结构在此工况下的自然氧化寿命。

2.如权利要求1所述的一种陶瓷基复合材料结构的氧化寿命预测方法，其特征在于，所述步骤2中，根据能量守恒定律，氧化过程中扩散与氧化动力学之间的关系采用偏微分方程描述如下式：

其中，φ为CMCs孔隙率，c_A为氧气浓度，D_eff为各单元编织单胞的等效扩散系数，R_A为反应速率，x为扩散距离，t为时间，采用有限差分法对上式进行求解，以获取结构内各单元的氧气浓度。

3.如权利要求1所述的一种陶瓷基复合材料结构的氧化寿命预测方法，其特征在于，所述步骤3中，将步骤2的计算结果作为各单元内部编织单胞孔隙中的氧气浓度；部分氧气经由基体裂纹扩散至纤维界面处，伴随着裂纹通道处的基体、纤维氧化成SiO₂氧化层与PyC界面消耗，基体与纤维的氧化层厚度分别表示为：

其中，z_m、z_f分别表示基体的氧化层厚度与纤维的氧化层厚度，分别表示基体与纤维100KPa纯氧气下的组分材料氧化时的抛物线速率常数，c^*表示100kPa纯氧气下的组分材料氧化时的氧气浓度，p_m、p_f分别为基体与纤维的指数；PyC界面消耗长度l_r采用以下公式计算：

其中，b为每摩尔氧气消耗的碳的摩尔数，为混合型扩散系数，M_C为C摩尔质量，ρ_C为C密度，表示裂纹内的氧气浓度梯度，c₀为裂纹顶端氧气浓度，α为反应气体与产物气体的物质的量之比。