[发明专利]一种二维编织陶瓷基复合材料氧化后剩余刚度预测方法

摘要

本发明涉及一种二维编织陶瓷基复合材料氧化后剩余刚度预测方法。刚度指材料在受力时抵抗弹性变形的能力。通过分析材料各组分的刚度，即可确定材料内部的应力应变分布。因此本发明提供了一种能准确预测二维编织陶瓷基复合材料氧化后剩余刚度的方法。提出了考虑纤维氧化的动力学模型，在此基础上建立了考虑纤维氧化的微观尺度模型和二维编织陶瓷基复合材料中尺度模型。采用有限元法，通过施加周期性边界条件，计算了材料氧化后的剩余刚度。本发明能够精确的预测出该材料在不同氧化时间、不同氧化温度区间的剩余刚度，不需要通过实验花费大量的人力、物力去测试，因此节约了大量的试验成本。

主权项

1.一种二维编织陶瓷基复合材料氧化后剩余刚度预测方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)，基于质量损失率理论和纤维退化规律假设，建立氧化动力学模型；(2)，基于氧化动力学模型，采用有限元软件，建立氧化后的微观尺度的单胞模型；(3)，施加微观尺度的单胞模型的周期性边界条件；(4)，计算该单胞模型6个方向的弹性参数；(5)，采用有限元软件，建立二维编织陶瓷基复合材料单胞模型；(6)，将计算得到的氧化后微观尺度的单胞模型6个方向的弹性参数作为纱线的基本属性，带入二维编织陶瓷基复合材料单胞模型；(7)，施加所述二维编织陶瓷基复合材料单胞模型的周期性边界条件；(8)，计算得到二维编织陶瓷基复合材料轴向的剩余弹性模量；所述步骤(1)中，所述质量损失率理论分为两个温度区间：1)当温度在400℃～700℃区间时，公式如下：其中，λ_r是复合材料的质量损失率，W是复合材料的质量，ΔW是材料的质量变化量，K₀是与氧化速率相关的常数，是氧气的体积分数，P是大气气压，M_c是碳纤维的摩尔质量，R是气体常数，T是环境温度，E_r是氧化反应活化能，t是氧化时间，S_eff是碳的有效反应面积；其中，S_eff＝μW，μ是碳的反应有效系数；2)当温度在700℃～900℃区间时，公式如下：其中，Nc是碳的摩尔密度，λ是与初始状态有关的常数，Tc是基体开裂温度，Lc是涂层厚度；所述纤维退化规律假设：假设纤维以圆形的规律在高温下进行退化，公式如下：其中，δ是纤维的氧化长度，ρf和ρc分别表示纤维和复合材料的密度，L是复合材料的长度，H是复合材料的高度，n是碳的物质的量，Nf是单位面积内纤维的数量；将所述复合材料的质量损失率λr带入所述纤维的氧化长度δ的计算公式(3)，得到：1)当温度在400℃～700℃区间时：2)当温度在700℃～900℃区间时：由此可得氧化后纤维的剩余半径为：1)当温度在400℃～700℃区间时，公式如下：2)当温度在700℃～900℃区间时，公式如下：其中，rf是纤维氧化后的剩余半径，rf0是纤维未氧化时的初始半径。