[发明专利]一种应力水氧耦合环境单向陶瓷基复合材料剩余强度与剩余刚度预测方法

说明书

本发明公开了一种应力水氧耦合环境单向陶瓷基复合材料剩余强度与剩余刚度预测方法；方法确定单向SiC/SiC复合材料内部水蒸气与氧气浓度、碳界面消耗长度及材料基体纤维氧化物厚度变化规律：结合水蒸气与氧气的扩散系数，建立单向SiC/SiC复合材料在水氧耦合环境下的氧化动力学方程，结合水蒸气及氧气的边界条件，求解方程得到水蒸气及氧气在材料内部不同时刻不同位置处的浓度，基于水蒸气及氧气浓度求出界面消耗长度及氧化物厚度变化规律；本发明为单向SiC/SiC复合材料的安全使用提供理论支持，且计算过程简洁有效，省去了实验方法的时间和人力成本。

技术领域

本发明属于材料力学性能预测领域，特别涉及一种应力水氧耦合环境单向陶瓷基复合材料剩余强度与剩余刚度预测方法。

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、耐腐蚀等优异性能，是航空发动机热端部件的重要候选材料，目前，SiC/SiC复合材料在美、日、法等国外航空发动机领域已有了较为广泛的研究和应用。

在服役环境下，航空煤油燃烧会产生10％的水蒸气，SiC/SiC材料将暴露在水蒸气和氧气耦合的复杂氧化环境中，材料基体和纤维在水蒸气和氧气耦合环境下的氧化造成SiC的退化并在表面形成SiO₂氧化层，且碳界面的氧化造成原始界面处出现环形空缺，这些影响了材料的强度和刚度等力学性能。因此准确有效的计算单向SiC/SiC材料在水蒸气和氧气耦合应力环境下的剩余强度与剩余刚度，能够为SiC/SiC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，并为材料可靠性设计提供必备的技术支撑。

目前，国内外关于SiC/SiC材料在应力水氧耦合环境下的剩余强度与剩余刚度研究的方法有以下几种。

文献“Filipuzzi L,Naslain R.Oxidation mechanisms and kinetics of 1D-SiC/C/SiC composite materials：Ⅱ，Modeling.Journal of the American CeramicSociety,1994,77(2):467～480.”通过实验与理论相结合的方式，基于SiC/SiC材料的氧化反应机理，建立了单向SiC/SiC材料在干氧环境下的氧化动力学模型，预测材料在不同氧分压环境下的质量变化情况。但是该方法没有考虑水蒸气对材料氧化的作用，且不能用于预测材料剩余力学性能。

专利202010024866.1“一种水蒸气和氧气在无定型二氧化硅二氧化硅中的扩散系数的研究方法”基于分子动力学，模拟计算了水蒸气和氧气在无定型二氧化硅中的扩散系数，见表5。但该方法不能用于预测单向SiC/SiC材料的剩余力学性能。

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”基于单向陶瓷基复合材料的氧化机理，确定材料基体裂纹数和裂纹宽度随应力的变化情况，确定材料内部氧化剂浓度，由此确定纤维应力分布和特征强度分布，最终来预测单向SiC/SiC复合材料在应力氧化环境下的剩余刚度，但该方法没有考虑水蒸气对材料的氧化作用，且无法用于预测材料的剩余强度。

专利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”基于单向陶瓷基复合材料的氧化机理确定的基体裂纹数和裂纹宽度随应力的变化情况，结合材料内部氧化剂浓度，取得纤维应力分布和特征强度，最终得到材料的剩余强度。但该方法没有考虑水蒸气对材料的氧化作用，且无法用于预测材料的剩余强度。

因此，有必要提供一种能够准确预测单向SiC/SiC材料在应力水氧耦合环境下剩余强度与剩余刚度的方法。

发明内容

本发明提供了一种应力水氧耦合环境单向陶瓷基复合材料剩余强度与剩余刚度预测方法，以解决现有技术中的问题。