一种陶瓷基复合材料氧化环境碳界面消耗体积确定方法与流程

本发明涉及一种陶瓷基复合材料氧化环境碳界面消耗体积确定方法，具体涉及一种单向碳化硅纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料氧化环境下碳界面消耗体积确定方法。

背景技术：

碳化硅纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料(continuoussiliconcarbidefiberreinforcedsiliconcarbidecomposites，以下简称sic/sic)的耐高温、低密度、高比强、高比模等优异性能，使其成为航空航天领域不可替代的新型高温结构材料之一，广泛应用于航空航天发动机热端部件、航空航天往返防热系统、高速刹车、燃气轮机热端部件、高温气体过滤和热交换器等，其工作环境温度高，且普遍存在氧化性的介质如氧气。组分材料包括碳化硅纤维、碳界面以及碳化硅基体，由于基体与纤维、界面之间的热膨胀系数不匹配，制备后的基体上存在许多微裂纹，这些微裂纹会成为氧化介质的流动通道，从而导致氧化介质进入复合材料内部，氧化侵蚀碳界面。碳界面的氧化消耗使得sic纤维和基体直接接触，相互之间的摩擦阻力增大，同时引起材料内部应力集中，在载荷作用下容易引起材料的脆性断裂。

快速有效的计算出单向sic/sic材料内部碳界面消耗体积及分布，能够为材料服役过程中的强度、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，对于确定单向sic/sic材料内部碳界面消耗体积及分布的技术主要有以下两种：

文献“oxidationmechanismsandkineticsof1d-sic/c/siccompositematerials:i,anexperimentalapproach.journaloftheamericanceramicsociety,1994,77(2):459-66”公开了一种通过实验测试单向sic/c/sic材料在氧化环境下界面消耗体积的测试方法，该方法基于热解碳与sic纤维、基体导电性能的差异，通过对氧化不同时间后的材料进行电阻测试，测得界面的消耗体积。但该方法只考虑垂直纤维方向横截面处界面的氧化，不考虑基体微裂纹的存在对界面氧化的影响，因此与实际不符。另一方面，材料的制备、测试过程在时间、人力、物力上的大量损耗，限制了实验方法在材料设计中的应用。

专利cn103093063b“氧化环境中单向碳化硅纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料损伤的检测方法”基于平均裂纹间距假设，选取含一条裂纹、一根纤维的代表性体积元，应用氧化动力学方程计算基体裂纹处碳界面消耗长度，但是该方法没有考虑材料初始微裂纹分布的不均匀性对界面氧化消耗的影响，也没有考虑多根纤维相互接触对界面氧化消耗的影响，因此无法准确预测界面消耗体积在单向sic/sic材料内部的分布。

因此，有必要提供一种简单有效、能够准确预测界面消耗体积在单向sic/sic材料内部分布的方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种陶瓷基复合材料氧化环境碳界面消耗体积确定方法，解决了现有技术存在的不能够准确预测出单向sic/sic复合材料在氧化环境下的界面消耗体积分布的问题。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种陶瓷基复合材料氧化环境碳界面消耗体积确定方法，包括如下步骤：

步骤1，获取陶瓷基复合材料的体积和质量，并计算得到材料的密度；

步骤2，根据材料在纤维方向的横截面，统计纤维总根数，计算碳界面的平均厚度及纤维平均直径；

步骤3，根据材料横截面上的纤维之间是否相互接触以及接触点的多少，将材料横截面上的纤维分为独立纤维、单点接触纤维、两点接触纤维及多点接触纤维，并统计相应类型纤维的个数；

步骤4，基于碳界面的平均厚度、纤维平均直径以及纤维之间接触点的多少，计算每种类型纤维外侧碳界面的面积，并进一步计算出材料含有的碳质量分数；

步骤5，获取材料外表面的基体裂纹个数a，测量相邻基体裂纹之间的距离以及材料在纤维方向的两个横截面与邻近基体裂纹之间的距离，共a+1个距离，将上述距离从小到大排序，将最小距离作为第1距离，最大距离作为第a+1个距离；

步骤6，基于氧化动力学方程，计算材料在不同氧化时刻下的碳界面消耗长度rc；

步骤7，将碳界面消耗长度rc与步骤5求得距离的1/2进行比较：当rc<最小距离/2时，碳界面消耗总长度为lc_c＝(2a+2)rc；当rc≥最大距离/2时，碳界面消耗总长度lc_c为步骤5求得的所有距离之和；当rc处于某两个距离的1/2之间时，即x＝1,…,a，lc_c等于第1至第x个距离之和加上(2a+2-2x)rc；

步骤8，基于材料横截面上碳界面的总面积与碳界面消耗总长度，计算得到材料氧化过程中的碳界面消耗体积及其分布规律。

作为本发明的一种优选方案，步骤2所述碳界面的平均厚度，计算公式为：

其中，e为碳界面的平均厚度，n为纤维总根数，ei表示随机选取纤维总根数的1/100中第i根纤维周围的碳界面厚度。

作为本发明的一种优选方案，步骤2所述纤维平均直径，计算公式为：

其中，df为纤维平均直径，n为纤维总根数，dfi表示随机选取纤维总根数的1/100中第i根纤维的直径。

作为本发明的一种优选方案，步骤4所述纤维外侧碳界面的面积，计算公式为：

其中，scj为与其他纤维之间存在j个接触点的纤维外侧碳界面的面积，j＝0,1,…,q，q为纤维之间最大接触点的个数，rf为纤维平均半径，e为碳界面的平均厚度。

作为本发明的一种优选方案，步骤6所述碳界面消耗长度rc，计算公式为：

其中，k0为碳界面的氧化反应速率常数，ea为碳界面的氧化反应活化能，r为通用气体常数，t为环境温度，为环境中的氧气分压，mc为碳界面的摩尔质量，ρc为碳界面的密度，t是氧化反应时间。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明考虑了纤维在单向sic/sic复合材料中的实际分布对碳界面含量的影响，同时考虑了氧气从材料垂直于纤维的两个端面处进入对碳界面的氧化、氧气从基体裂纹处进入对材料内部界面的氧化，可以准确的给出材料氧化一定时间后碳界面消耗体积及其分布情况。

2、本发明计算的整个过程简洁高效，克服了实验方法成本高、耗时长的缺点。

附图说明

图1是本发明实施例含多基体裂纹单向sic/sic复合材料几何模型示意图。

图2是材料截面纤维接触类型示意图。

图3是单点接触纤维界面面积示意图。

图4是单根纤维周围界面消耗长度计算流程图。

图5是不同情况下碳界面消耗体积分布示意图，其中，(a)为(b)为(c)为(d)为(e)为

图6是单向sic/sic材料不考虑基体裂纹模型预测结果、考虑多基体裂纹分布模拟结果与试验测试结果的对比曲线。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明一种单向sic/sic复合材料氧化环境界面消耗体积确定方法，包括如下步骤：

(1)将单向sic/sic复合材料试样于纤维方向的两个截面打磨至光滑，并测量材料在各个方向上的尺寸，计算出材料的体积，并采用高精度质量传感器测量材料的质量；

单向sic/sic复合材料试样为长方体结构，长宽高分别为l,w,h，则材料的体积vcomp＝l*w*h。

(2)将打磨后的材料放入扫描电子显微镜(sem)中，对材料横截面进行拍摄，统计纤维总根数，测量界面厚度的平均值、纤维平均直径；

纤维总根数n通过对材料截面中的纤维圆截面进行统计得到；

界面平均厚度e，是通过随机选取纤维总根数n的1/100，对这些纤维周围的界面层厚度进行测量，然后取平均值得到，即：

式中，ei表示第i根纤维周围的界面层厚度。

纤维平均直径df也是通过随机选取纤维总根数n的1/100，对这些纤维的直径进行测量，然后取平均值得到，即：

式中，dfi表示第i根纤维的直径。

材料外表面基体微裂纹个数a通过拍摄长方体试件表面统计得到，基体裂纹间距lc、材料两个端面与邻近基体裂纹之间的距离dc均通过sem自带标尺测量得到。

(3)根据材料横截面sem照片中纤维之间是否相互接触以及接触点的多少，将材料横截面上的纤维分为独立纤维、单点接触纤维、两点接触纤维及多点接触纤维，并统计相应类型纤维的个数；

首先通过材料截面sem照片统计纤维之间最大接触点的个数q，然后确定与其他纤维之间没有接触点的纤维个数v0，存在1个接触点的纤维(单点接触纤维)个数v1，与其他纤维之间存在2个接触点的纤维(两点接触纤维)个数v2，与其他纤维之间存在q个接触点的纤维(两点接触纤维)个数vq，则有：

n＝v0+v1+v2+...+vq(3)

(4)基于界面的平均厚度以及纤维之间接触点的多少，计算每种纤维外侧碳界面的面积，并进一步计算出材料含有的碳质量分数；

独立纤维外表面碳界面的面积sc0为：

sc0＝π[(rf+e)²-rf²](4)

式中，rf表示纤维平均半径。

与其他纤维之间存在j个接触点的纤维外表面碳界面的面积scj为：

则材料横截面上界面总面积sc为：

sc＝v0sc0+v1sc1+...+vjscj+...+vqscq(6)

式中，scq为与其他纤维之间存在q个接触点的纤维外表面的碳界面面积。

碳界面的质量分数ωc可表示为：

式中，ρc表示碳界面的密度，ρcomp表示复合材料的密度，vf表示纤维体积含量，其可以通过测量材料横截面sem照片上纤维所占的面积sf计算出来：

(5)获取材料外表面基体微裂纹个数及之间的间距，并进一步测量材料两个端面与邻近基体裂纹之间的距离，将基体裂纹间距、材料两个端面与邻近基体裂纹之间的距离从小到大排序；

基体裂纹个数为a，基体裂纹间距lc、材料两个端面与邻近基体裂纹之间的距离dc，则有：

lc1+lc2+...+lca-1+dc1+dca＝l(9)

式中，lc1表示从左往右数第一条与第二条基体裂纹之间的间距，lca-1表示从左往右数第a-1条与第a条基体裂纹之间的间距，dc1表示材料左侧端面与第一条基体裂纹之间的距离，dca表示第a条基体裂纹与材料右侧端面之间的距离。

(6)基于氧化动力学方程，计算材料在不同氧化时刻下的界面消耗长度；

界面消耗长度rc为：

式中，k0是碳界面的氧化反应速率常数，ea是碳界面的氧化反应活化能，，r是通用气体常数，t是环境温度，是环境中的氧气分压，mc是碳界面的摩尔质量，t是氧化反应时间。

(7)比较计算得到的界面消耗长度与基体裂纹间距的1/2、材料两个端面与邻近基体裂纹之间距离的1/2的大小关系，将他们之间从小到大排序；若界面消耗长度大于等于基体裂纹间距的1/2，则界面消耗长度等于基体裂纹间距的1/2，且随着时间的增长不再变化；若界面消耗长度小于基体裂纹间距的1/2，则界面消耗长度等于计算值，且随着时间的增长而增加；同样地，若计算得到的界面消耗长度大于等于材料两个端面与邻近基体裂纹之间距离的1/2，则界面消耗长度等于材料两个端面与邻近基体裂纹之间距离的1/2，且随着时间的增长不再变化；若计算得到的界面消耗长度小于材料两个端面与邻近基体裂纹之间距离的1/2，则界面消耗长度等于计算值，且随着时间的增长而增加；

(8)基于界面横截面积与消耗长度，计算得到材料氧化过程中的界面消耗体积及其分布规律；

界面消耗体积vc可表示为：

vc＝nlc_csc(11)

式中，lc_c为单根纤维周围碳界面消耗的总长度。

下面针对700℃、100kpa纯氧环境中的单向sic/c/sic复合材料为例，计算其在不同氧化时刻碳界面消耗体积及其分布情况。

(1)将单向sic/sic复合材料试样于纤维方向的两个截面打磨至光滑，并测量材料在各个方向上的尺寸分别为l＝13mm,w＝3mm,h＝3mm，如图1所示，计算出材料的体积vcomp＝l*w*h＝117mm³，采用高精度质量传感器测量得到材料的质量mcomp为0.29835g；

(2)将打磨后的材料放入扫描电子显微镜(sem)中，对材料横截面进行拍摄，统计纤维总根数为n＝24570，随机选取245根纤维，测量其周围界面厚度的平均值为e＝0.1μm、纤维平均直径为df＝14μm；

(3)在本实施方式中，纤维体积含量vf可表示为：

在本实施方式中，材料的密度ρcomp可表示为：

(3)根据材料横截面sem照片中纤维之间是否相互接触以及接触点的多少，将材料横截面上的纤维分为独立纤维、单点接触纤维、两点接触纤维及多点接触纤维，如图2所示，其中独立纤维为3292根，单点接触纤维7567根，两点接触纤维5848根，三点接触纤维3882根，四点接触纤维2359根，五点接触纤维1278根，六点接触纤维344根；

(4)基于界面的平均厚度以及纤维之间接触点的多少，计算每种纤维外侧碳界面的面积，并进一步计算出材料含有的碳质量分数；

在本实施方式中，独立纤维外表面碳界面的面积sc0为：

sc0＝π[(rf+e)²-rf²]＝4.4274μm²(14)

因此，所有独立纤维外表面碳界面的面积sc_ind为：

sc_ind＝3292×4.4274＝14575.0008um²(15)

在本实施方式中，单点接触纤维外表面碳界面的面积sc1为：

式中，如图3所示，因此，sc1＝4.3090μm²，所有单点接触纤维外表面碳界面的面积sc_1为：

sc_1＝7567×4.3090＝32606.203μm²(17)

同样地，两点接触纤维外表面碳界面的面积sc2为：

因此，sc2＝4.1906μm²，所有两点接触纤维外表面碳界面的面积sc_2为：

sc_2＝5848×4.1906＝24506.6288μm²(19)

同样地，三点接触纤维外表面碳界面的面积sc3＝4.0722μm²，所有两点接触纤维外表面碳界面的面积sc_3为：

sc_3＝3882×4.0722＝15808.2804μm²(20)

同样地，四点接触纤维外表面碳界面的面积sc4＝3.9538μm²，所有四点接触纤维外表面碳界面的面积sc_4为：

sc_4＝2359×3.9538＝9327.0142μm²(21)

同样地，五点接触纤维外表面碳界面的面积sc5＝3.8354μm²，所有五点接触纤维外表面碳界面的面积sc_5为：

sc_5＝1278×3.8354＝4901.6412μm²(22)

同样地，六点接触纤维外表面碳界面的面积sc6＝3.717μm²，所有五点接触纤维外表面碳界面的面积sc_6为：

sc_6＝344×3.717＝1278.648μm²(23)

因此，碳界面的总面积sc可表示为：

sc＝sc_ind+sc_1+sc_2+...+sc_6＝0.103mm²(24)

在本实施方式中，碳的质量分数ωc可表示为：

(5)获取材料外表面基体初始微裂纹个数为a＝3，将基体裂纹从左往右排序，基体裂纹间距分别为lc1＝7mm,lc2＝3mm，并进一步测量材料两个端面与邻近基体裂纹之间的距离分别为dc1＝2mm,dc3＝1mm，如图1所示，将基体裂纹间距、材料两个端面与邻近基体裂纹之间的距离从小到大排序；

在本实施方式中，3条基体裂纹之间的间距以及材料两个端面与邻近基体裂纹之间的距离排序为：

dc3＜dc1＜lc2＜lc1(26)

(6)基于氧化动力学方程，计算材料在不同氧化时刻下的界面消耗长度；

在本实施方式中，k0是碳界面的氧化反应速率常数，k0＝1070，ea是碳界面的氧化反应活化能，ea＝123000j/mol，r是通用气体常数，r＝8.3145j/mol.k，t是环境温度，t＝973.15k，是环境中的氧气分压，mc是碳界面的摩尔质量，mc＝12g/mol，t是氧化反应时间，界面消耗长度rc为：

(7)比较计算得到的界面消耗长度与基体裂纹间距的1/2、材料两个端面与邻近基体裂纹之间距离的1/2的大小关系，将他们之间从小到大排序；若界面消耗长度大于等于基体裂纹间距的1/2，则界面消耗长度等于基体裂纹间距的1/2，且随着时间的增长不再变化；若界面消耗长度小于基体裂纹间距的1/2，则界面消耗长度等于计算值，且随着时间的增长而增加；同样地，若计算得到的界面消耗长度大于等于材料两个端面与邻近基体裂纹之间距离的1/2，则界面消耗长度等于材料两个端面与邻近基体裂纹之间距离的1/2，且随着时间的增长不再变化；若计算得到的界面消耗长度小于材料两个端面与邻近基体裂纹之间距离的1/2，则界面消耗长度等于计算值，且随着时间的增长而增加；

在本实施方式中，对于界面消耗长度rc与基体裂纹间距lc、材料两个端面与邻近基体裂纹之间距离dc之间的判断流程，如图4所示，其中单根纤维周围碳界面消耗的总长度表示为lc_c。

(8)基于界面横截面积与消耗长度，计算得到材料氧化过程中的界面消耗体积及其分布规律。

在本实施方式中，根据不同时刻下界面消耗长度rc与基体裂纹间距lc、材料两个端面与邻近基体裂纹之间距离dc之间的大小关系，即可判断出单根纤维周围界面消耗体积的分布，在这里以独立纤维为例进行说明，如图5的(a)、(b)、(c)、(d)、(e)所示。

在本实施方式中，以材料的质量损失率来表征碳界面的消耗体积变化规律，图6显示了单向sic/sic复合材料的质量损失率随时间变化曲线，通过对比未考虑基体裂纹模型与考虑多基体裂纹模型，可以看出本发明提出的考虑多基体裂纹分布的预测模型模拟的结果与试验测试结果吻合较好。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。