[发明专利]一种应力氧化环境下陶瓷基复合材料内部氧化形貌预测方法

说明书

本发明公开了一种应力氧化环境下单向SiC/SiC复合材料内部氧化形貌预测方法，基于传质学理论，考虑了裂纹处初始阶段C界面的氧化缺口形貌变化，在氧化缺口到达SiC纤维处后，使用体积等效法将弧形的氧化缺口等效为矩形缺口，并在建立的控制体方程中加入了SiC纤维氧化消耗的氧气，使得模型更加接近实际情况，能准确地预测出陶瓷基复合材料在应力氧化任意时间后内部裂纹壁的氧化、氧气开始氧化纤维的时间、进入到裂纹底部后对纤维、界面和基体的氧化形貌，为之后计算应力氧化环境下陶瓷基复合材料的剩余力学性能问题提供了理论支持。

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，特别涉及一种应力氧化环境下陶瓷基复合材料内部氧化形貌预测方法。

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，简称SiC/SiC)具有耐高温、低密度、高比强、高比模等优异性能，在航空发动机燃烧室和尾喷管调节片等部件上有着广泛的应用前景。

由于碳与碳化硅纤维、基体的相容性较好，其作为界面相广泛应用于SiC/SiC材料。SiC/C/SiC材料目前主要应用于高温(900℃)应力氧化环境。在该环境下，由于应力的存在基体会出现开裂，环境中的氧化性气体会通过基体裂纹进入材料内部与C界面、SiC纤维、基体等组分材料发生氧化反应，使得材料发生退化。准确有效的预测出SiC/SiC材料在应力氧化环境下内部形貌的变化，能够为之后计算SiC/SiC复合材料在应力氧化环境下力学性能的退化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。

文献“航空发动机热端部件模拟环境下3D C/SiC的微结构演变与失效机制”使用透射电镜(TEM)观测了氧化环境下C/SiC界面的氧化形貌，但没有建立氧化动力学模型，无法预测任意时间下SiC/C/SiC复合材料在氧化环境下内部形貌的变化。

专利201910198163.8“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”、201910198773.8“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”、201910198794.x“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”建立了应力氧化环境下陶瓷基复合材料的氧化动力学模型，预测了氧化后陶瓷基复合材料的剩余力学性能，但该模型没有考虑第一阶段复合材料界面沿裂纹方向的氧化，简化了C界面氧化的缺口，在控制方程中忽略了SiC纤维消耗的氧气量，因此不能准确地模拟出1D-SiC/C/SiC复合材料在任意时刻下内部的氧化形貌。

专利201910520855.X“一种应力水蒸气环境下单向陶瓷基复合材料内部氧化形貌预测方法”建立了SiC/C/SiC水蒸气氧化模型，预测了SiC/C/SiC复合材料在水蒸气氧化环境下氧化形貌的变化。但水蒸气氧化机理与氧气氧化机理不同，而且该模型没有考虑C界面氧化弧形缺口变化规律，将C界面氧化过程简化为矩形，因此不能用来准确地模拟出1D-SiC/C/SiC复合材料在任意时刻下内部的氧化形貌。

文献“Ludovic Filipuzzi,Roger Naslain.Oxidation Mechanisms andKinetics of 1D-SiC/C/SiC Composite Materials:II,Modeling[J].Journal of theAmerican Ceramic Society,2005,77(2):459-466.”基于简单的轴对称纤维/界面/基体结合，建立了1D-SiC/C/SiC模型，在900-1300℃和10P100KPa的温度压力范围内，对1D-SiC/C/SiC复合材料与氧气的氧化行为进行了研究，预测了C界面的消耗和复合材料基体与纤维上SiO₂层厚度随时间的变化。但该文献中没有考虑复合材料与氧气氧化过程中界面沿裂纹方向的氧化，忽略了C界面氧化缺口到达SiC纤维的氧化时间，同时没有考虑裂纹两端SiC基体的氧化，所以无法准确地模拟出1D-SiC/C/SiC复合材料在任意时刻下内部的氧化形貌。