应力氧化环境下单向陶瓷基复合材料力学性能分析方法技术

本发明专利技术公开了一种应力氧化环境下单向陶瓷基复合材料力学性能分析方法，包括以下步骤：确定单向陶瓷基复合材料基体的裂纹数随应力的变化；确定裂纹宽度变化规律；根据已有的400-900℃无应力氧化环境下，单向陶瓷基复合材料的氧化机理，确定考虑应力作用下单向陶瓷基复合材料基体开裂对质量失重率λr变化的影响；确定考虑单向陶瓷基复合材料基体裂纹的情况下，单向陶瓷基复合材料剩余模量在应力氧化环境下的变化规律；根据单向陶瓷基复合材料体积分数变化规律，确定考虑基体裂纹情况下，单向陶瓷基复合材料剩余强度在应力氧化环境下的变化情况。本发明专利技术为UD-CMC在应力氧化环境下力学性能的分析提供了相关理论支持。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种分析单向陶瓷基复合材料(unidirectionalceramicmatrixcomposite,简称UD-CMC)力学性能的理论方法，主要用于分析单向陶瓷基复合材料在应力氧化环境下材料剩余力学性能的预测。
技术介绍
为实现航空发动机的高推比，提高涡轮前温度并降低发动机质量，CMC是航空发动机高温部件的理想选材。由于CMC服役环境十分恶劣，常常受到高温、高应力、热震及腐蚀性气体等的作用，大大降低了材料的性能。应力和高温是CMC服役环境最为典型的两个环境因素。考虑CMC在应力-氧化环境下力学性能的变化十分有必要。在以往的研究分析中，对CMC在无应力氧化环境下力学性能变化的实验分析及理论分析并不多，对CMC在应力-氧化环境下力学性能变化的实验分析很少，而理论分析更是缺乏。单向陶瓷基复合材料结构简单，便于分析，为其他复杂编织陶瓷基复合材料提供理论参考和研究切入点。CMC陶瓷基体相对纤维具有脆性，在应力的作用下将发生开裂，裂纹为氧气的进入提供通道。同时拉伸应力作用下，已经产生的裂纹宽度增加，增大了材料氧化的有效面积，促进材料的氧化。氧化使得材料性能降低，在拉伸作用下，材料的失效行为同常温环境下有很大的不同。应力和高温的相互作用，相互促进，形成一种新的陶瓷基复合材料动力学。曾增，张茂庆，刘伟先等(单向C/SiC陶瓷基复合材料基体失效机制与强度预测.复合材料学报.2015,32(4):1075-1082)对单向C/SiC复合材料基体失效机制，并预测了材料的拉伸强度，但并未考虑氧化因素。孙志刚，牛序铭，王振剑等(VerificationandpredictionofresidualstrengthofC/SiCcompositesundernon-stressoxidation.JournalofMaterialsScience.2014,23(49):8192-8203)分析了氧化环境下单向陶瓷基复合材料力学性能的变化规律，但并未考虑拉伸应力的影响。本专利技术考虑了基体在应力作用下形成裂纹，对UD-CMC在高温环境下的氧化力学性能变化规律进行分析和预测。
技术实现思路
为了对CMC在服役环境下力学性能更好的进行了解和预测，本专利技术的目的是提供一种应力氧化环境下单向陶瓷基复合材料力学性能分析方法，以解决现有技术中对CMC在高温下剩余力学性能变化的分析没有考虑应力的作用的问题。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种应力氧化环境下单向陶瓷基复合材料力学性能分析方法，包括以下步骤：步骤一、确定单向陶瓷基复合材料基体的裂纹数随应力的变化：考虑热残余应力，并根据拉伸应力作用下基体承担的应力，推导得出单向陶瓷基复合材料基体裂纹数的变化情况；步骤二、确定裂纹宽度变化规律：根据裂纹宽度与残余热应力及基体所承担的应力，推导得到应力作用下裂纹宽度的表达式；步骤三、根据已有的400-900℃无应力氧化环境下，单向陶瓷基复合材料的氧化机理，结合步骤一和步骤二的结果，确定考虑应力作用下单向陶瓷基复合材料基体开裂对质量失重率λr变化的影响；步骤四、确定考虑单向陶瓷基复合材料基体裂纹的情况下，单向陶瓷基复合材料剩余模量在应力氧化环境下的变化规律；步骤五、根据步骤四得到的氧化后的单向陶瓷基复合材料体积分数变化规律，确定考虑基体裂纹情况下，单向陶瓷基复合材料剩余强度在应力氧化环境下的变化情况。所述步骤一的具体步骤是：采用蒙特卡罗法对基体在拉伸应力作用下的开裂进行分析，当材料受到轴向拉伸应力作用时，假设基体失效概率服从泊松分布，且应力作用下基体产生至少一条裂纹的概率等于1减去基体产生零条裂纹的概率，有：P(ξ＝σ；η＝L0)＝1-exp{-M(A)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种应力氧化环境下单向陶瓷基复合材料力学性能分析方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一、确定单向陶瓷基复合材料基体的裂纹数随应力的变化：考虑热残余应力，并根据拉伸应力作用下基体承担的应力，推导得出单向陶瓷基复合材料基体裂纹数的变化情况；步骤二、确定裂纹宽度变化规律：根据裂纹宽度与残余热应力及基体所承担的应力，推导得到应力作用下裂纹宽度的表达式；步骤三、根据已有的400‑900℃无应力氧化环境下，单向陶瓷基复合材料的氧化机理，结合步骤一和步骤二的结果，确定考虑应力作用下单向陶瓷基复合材料基体开裂对质量失重率λr变化的影响；步骤四、确定考虑单向陶瓷基复合材料基体裂纹的情况下，单向陶瓷基复合材料剩余模量在应力氧化环境下的变化规律；步骤五、根据步骤四得到的氧化后的单向陶瓷基复合材料体积分数变化规律，确定考虑基体裂纹情况下，单向陶瓷基复合材料剩余强度在应力氧化环境下的变化情况。

【技术特征摘要】
1.一种应力氧化环境下单向陶瓷基复合材料力学性能分析方法，其特征在于：包括以
下步骤：
步骤一、确定单向陶瓷基复合材料基体的裂纹数随应力的变化：考虑热残余应力，
并根据拉伸应力作用下基体承担的应力，推导得出单向陶瓷基复合材料基体裂纹数的变
化情况；
步骤二、确定裂纹宽度变化规律：根据裂纹宽度与残余热应力及基体所承担的应力，
推导得到应力作用下裂纹宽度的表达式；
步骤三、根据已有的400-900℃无应力氧化环境下，单向陶瓷基复合材料的氧化机
理，结合步骤一和步骤二的结果，确定考虑应力作用下单向陶瓷基复合材料基体开裂对
质量失重率λr变化的影响；
步骤四、确定考虑单向陶瓷基复...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙志刚，邵红艳，宋迎东，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32