一种通过迟滞回线宽度预测纤维增强陶瓷基复合材料界面剪应力的方法

1.本发明属于纤维增强陶瓷基复合材料界面属性测试技术领域，具体涉及一种通过迟滞回线宽度预测纤维增强陶瓷基复合材料界面剪应力的方法。


背景技术：

2.陶瓷基复合材料具有耐高温、耐腐蚀、低密度、高比强、高比模等优点，相比高温合金，能够承受更高的温度，减少冷却气流，提高涡轮效率，目前已经广泛应用于航空发动机燃烧室、涡轮导向叶片、涡轮壳环、尾喷管等。例如由cfm公司研制的leap(leading edge aviation propulsion,leap)系列发动机，高压涡轮采用了以编织陶瓷基复合材料为原料制备的部件。
3.界面剪应力是影响陶瓷基复合材料力学行为的关键参数，目前测量纤维增强陶瓷基复合材料界面剪应力的方法主要为纤维推入、推出法，但是纤维推入、推出法仅能获得单根纤维的界面剪应力属性，无法综合评估陶瓷基复合材料的界面性能。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供了一种通过迟滞回线宽度预测纤维增强陶瓷基复合材料界面剪应力的方法，本发明提供的方法能够准确预测纤维增强陶瓷基复合材料的界面剪应力，从而综合评估纤维增强陶瓷基复合材料界面属性。
5.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种通过迟滞回线宽度预测纤维增强陶瓷基复合材料界面剪应力的方法，包括如下步骤：
6.(1)对纤维增强陶瓷基复合材料进行循环加载和卸载，当纤维增强陶瓷基复合材料出现部分脱粘时，采用剪滞模型分别获得加载过程中纤维轴向应力分布场和卸载过程中纤维轴向应力分布场；
7.(2)采用断裂力学方法得到所述加载和卸载过程中纤维增强基陶瓷复合材料的界面脱粘长度与滑移长度；所述滑移长度包括界面反向滑移长度和新滑移长度；
8.(3)采用基体随机开裂模型得到不同峰值应力下的基体裂纹间距；
9.(4)通过纤维轴向应变与复合材料应变之间的关系，得到纤维增强陶瓷基复合材料加载过程中的应变和纤维增强陶瓷基复合材料卸载过程中的应变；
10.(5)根据纤维增强陶瓷基复合材料加载过程中的应变和纤维增强陶瓷基复合材料卸载过程中的应变计算得到纤维增强陶瓷基复合材料的迟滞回线宽度，将试验测量的迟滞回线宽度与理论预测迟滞回线宽度进行数值迭代，得到纤维增强陶瓷基复合材料的界面剪应力；
11.步骤(2)～(4)没有时间先后顺序的限定。
12.优选的，所述步骤(1)中，加载过程中纤维轴向应力分布如式1所示：
[0013][0014]
其中，σ
f1
(x)为加载过程中纤维轴向应力分布，σ为外部应力，vf为纤维体积含量，vm为基体体积含量，rf为纤维半径，τi为界面剪应力，lc为基体裂纹间距，ld为界面脱粘长度，l
cs
为界面反向滑移，l
ns
为新滑移长度，ρ为剪滞模型参数，σ
fo
为界面粘结区纤维轴向应力，x为沿纤维轴向坐标。
[0015]
优选的，所述步骤(1)中，卸载过程中纤维轴向应力分布场如式2所示：
[0016][0017]
其中，σ
f2
(x)为卸载过程中纤维轴向应力分布场，σ为外部应力，vf为纤维体积含量，vm为基体体积含量，rf为纤维半径，τi为界面剪应力，lc为基体裂纹间距，ld为界面脱粘长度，l
cs
为界面反向滑移长度，l
ns
为新滑移长度，ρ为剪滞模型参数，σ
fo
为界面粘结区纤维轴向应力，x为沿纤维轴向坐标。
[0018]
优选的，所述步骤(2)中，所述界面脱粘长度由式3所示关系得到：
[0019][0020]
其中，em为基体弹性模量，ec为复合材料弹性模量，ef为纤维弹性模量，γi为界面脱粘能。
[0021]
优选的，所述步骤(2)中，所述界面反向滑移长度由式4所示关系得到：
[0022][0023]
优选的，所述步骤(2)中，所述新滑移长度由式5所示关系得到：
[0024][0025]
优选的，所述步骤(3)中，所述基体裂纹间距由式6所示关系得到：
[0026][0027]
其中，lc为基体裂纹间距，l
sat
为饱和基体裂纹间距，σm为基体承担应力，σr为基体
开裂的特征应力，m为基体开裂的威布尔模量。
[0028]
优选的，所述步骤(4)中，所述纤维轴向应变与复合材料应变之间的关系如式8所示：
[0029][0030]
其中，ε
th
为纤维增强陶瓷基复合材料应变，σf(x)为纤维轴向应力分布。
[0031]
优选的，所述步骤(4)中，纤维增强陶瓷基复合材料加载过程中的应变由式9所示关系得到：
[0032][0033]
所述步骤(4)中，纤维增强陶瓷基复合材料卸载过程中的应变由式10所示关系得到：
[0034][0035]
其中，εu为纤维增强陶瓷基复合材料加载过程中的应变，εr为纤维增强陶瓷基复合材料卸载过程中的应变。
[0036]
优选的，所述步骤(5)中，迟滞回线宽度δ由式11所示关系得到：
[0037][0038]
其中δ为迟滞回线宽度，σ
max
为峰值应力。
[0039]
本发明提供了一种通过迟滞回线宽度预测纤维增强陶瓷基复合材料界面剪应力的方法，本发明首先分析陶瓷基复合材料循环加载情况下界面脱粘情况，当界面部分脱粘时，采用剪滞模型分别获得加载和卸载过程中纤维轴向细观应力场，采用断裂力学方法分别获得加载和卸载过程中的界面脱粘长度及滑移长度，采用基体随机开裂模型确定不同峰值应力下的基体裂纹间距，根据纤维轴向应变与复合材料应变之间的关系，确定复合材料加载和卸载过程中的应变，根据应变计算纤维增强陶瓷复合材料的迟滞回线宽度，将理论预测的迟滞回线宽度与试验测量值进行数值迭代，获得纤维增强陶瓷基复合材料的界面剪应力。本发明通过迟滞回线宽度能够准确预测纤维增强陶瓷基复合材料的界面剪应力，从而能够综合评价纤维增强陶瓷基复合材料的界面属性。
附图说明
[0040]
图1为纤维增强陶瓷基复合材料迟滞回线宽度的曲线与试验值的对比图。
具体实施方式
[0041]
本发明所述通过迟滞回线宽度预测纤维增强陶瓷基复合材料界面剪应力的方法中包括多项参数，为清楚理解本发明，先对本发明预测方法中涉及的参数、参数符号及参数含义进行解释说明，如表1所示。
[0042]
表1通过切线模量预测纤维增强陶瓷基复合材料界面属性的方法参数说明
[0043]
[0044]
[0045][0046]
注：复合材料表示纤维增强陶瓷基复合材料，纤维表示纤维增强陶瓷基复合材料中的纤维瓷基体表示纤维增强陶瓷基复合材料中的陶瓷基体，界面均为纤维/陶瓷基体界面。
[0047]
本发明提供了一种通过迟滞回线宽度预测纤维增强陶瓷基复合材料界面剪应力的方法，包括如下步骤：
[0048]
(1)对纤维增强陶瓷基复合材料进行循环加载和卸载，当纤维增强陶瓷基复合材料出现部分脱粘时，采用剪滞模型分别获得加载过程中纤维轴向应力分布场和卸载过程中纤维轴向应力分布场；
[0049]
(2)采用断裂力学方法得到所述加载和卸载过程中纤维增强基陶瓷复合材料的界面脱粘长度与滑移长度；所述滑移长度包括界面反向滑移长度和新滑移长度；
[0050]
(3)采用基体随机开裂模型得到不同峰值应力下的基体裂纹间距；
[0051]
(4)通过纤维轴向应变与复合材料应变之间的关系，得到纤维增强陶瓷基复合材料加载过程中的应变和纤维增强陶瓷基复合材料卸载过程中的应变；
[0052]
(5)根据纤维增强陶瓷基复合材料加载过程中的应变和纤维增强陶瓷基复合材料卸载过程中的应变计算得到纤维增强陶瓷基复合材料的迟滞回线宽度，将试验测量的迟滞回线宽度与理论预测迟滞回线宽度进行数值迭代，得到纤维增强陶瓷基复合材料的界面剪应力；
[0053]
步骤(2)～(4)没有时间先后顺序的限定。
[0054]
本发明对纤维增强陶瓷基复合材料进行循环加载和卸载，当纤维增强陶瓷基复合材料出现部分脱粘时，采用剪滞模型分别获得加载过程中纤维轴向应力分布场和卸载过程中纤维轴向应力分布场。在本发明中，当峰值应力低于饱和基体开裂应力时，纤维增强陶瓷基复合材料出现部分脱粘；所述饱和基体开裂应力优选通过试验确定。在本发明中，所述纤维增强陶瓷基复合材料优选包括c/sic纤维增强陶瓷基复合材料或sic纤维增强陶瓷基复合材料，更优选为c/sic纤维增强陶瓷基复合材料。在本发明中，所述加载是应力逐渐增加的过程；所述卸载是应力逐渐降低的过程。在本发明中，所述加载过程中，应力增加的速率优选为0.01mpa/s；所述卸载过程中应力降低的速率优选为0.01mpa/s。在本发明中，所述剪滞模型优选法为bhe剪滞模型。
[0055]
在本发明中，所述加载过程中纤维轴向应力分布优选如式1所示：
[0056][0057]
在本发明中，所述卸载过程中纤维轴向应力分布场优选如式2所示：
[0058][0059]
其中，σ
f1
(x)为加载过程中纤维轴向应力分布，σ
f2
(x)为卸载过程中纤维轴向应力分布场，σ为外部应力，vf为纤维体积含量，vm为基体体积含量，rf为纤维半径，τi为界面剪应力，lc为基体裂纹间距，ld为界面脱粘长度，l
cs
为界面反向滑移，l
ns
为新滑移长度，ρ为剪滞模型参数，σ
fo
为界面粘结区纤维轴向应力，x为沿纤维轴向坐标。
[0060]
在本发明中，所述剪滞模型参数优选通过剪滞模型计算得到，本发明对所述计算方式无特殊要求，采用本领域技术人员熟知的方式即可。
[0061]
本发明采用断裂力学方法得到所述加载和卸载过程中纤维增强基陶瓷复合材料的界面脱粘长度与滑移长度；所述滑移长度包括界面反向滑移长度和新滑移长度。在本发明中，所述界面脱粘长度优选由式3所示关系得到：
[0062][0063]
其中，em为基体弹性模量，ec为复合材料弹性模量，ef为纤维弹性模量，γi为界面脱粘能。
[0064]
在本发明中，所述界面反向滑移长度优选由式4所示关系得到：
[0065][0066]
在本发明中，所述新滑移长度优选由式5所示关系得到：
[0067][0068]
本发明采用基体随机开裂模型得到不同峰值应力下的基体裂纹间距。在本发明中，所述随机开裂模型优选为基于强度的基体随机开裂模型。在本发明中，所述不同峰值应力是指循环加卸载拉伸过程中每次加卸载产生的峰值应力。
[0069]
在本发明中，所述基体裂纹间距优选由式6所示关系得到：
[0070][0071]
其中，lc为基体裂纹间距，l
sat
为饱和基体裂纹间距，σm为基体承担应力，σr为基体开裂的特征应力，m为基体开裂的威布尔模量。
[0072]
本发明通过纤维轴向应变与复合材料应变之间的关系，得到纤维增强陶瓷基复合材料加载过程中的应变和纤维增强陶瓷基复合材料卸载过程中的应变。在本发明中，所述纤维轴向应变与复合材料应变之间的关系优选如式8所示：
[0073][0074]
其中，ε
th
为纤维增强陶瓷基复合材料应变，σf(x)为纤维轴向应力分布。
[0075]
在本发明中，所述纤维增强陶瓷基复合材料加载过程中的应变优选由式9所示关系得到：
[0076][0077]
所述纤维增强陶瓷基复合材料卸载过程中的应变优选由式10所示关系得到：
[0078][0079]
其中，εu为纤维增强陶瓷基复合材料加载过程中的应变，εr为纤维增强陶瓷基复合材料卸载过程中的应变。
[0080]
本发明根据纤维增强陶瓷基复合材料加载过程中的应变和纤维增强陶瓷基复合材料卸载过程中的应变计算得到纤维增强陶瓷基复合材料的迟滞回线宽度，将试验测量的迟滞回线宽度与理论预测迟滞回线宽度进行数值迭代，得到纤维增强陶瓷基复合材料的界面剪应力。在本发明中，所述迟滞回线宽度优选由式11所示关系得到：
[0081][0082]
其中δ为迟滞回线宽度，σ
max
为峰值应力。
[0083]
本发明通过迟滞回线宽度获得纤维增强陶瓷基复合材料的界面剪应力，构建了迟滞回线宽度与界面剪应力的关联关系，能够显著提高界面剪应力的预测精度。
[0084]
本发明提供了一种通过迟滞回线宽度预测纤维增强陶瓷基复合材料界面剪应力的方法，本发明首先分析陶瓷基复合材料循环加载情况下界面脱粘情况，当界面部分脱粘时，采用剪滞模型分别获得加载和卸载过程中纤维轴向细观应力场，采用断裂力学方法分别获得加载和卸载过程中的界面脱粘长度及滑移长度，采用基体随机开裂模型确定不同峰值应力下的基体裂纹间距，根据纤维轴向应变与复合材料应变之间的关系，确定复合材料加载和卸载过程中的应变，根据应变计算纤维增强陶瓷复合材料的迟滞回线宽度，将理论预测的迟滞回线宽度与试验测量值进行数值迭代，获得纤维增强陶瓷基复合材料的界面剪应力。本发明通过迟滞回线宽度能够准确预测纤维增强陶瓷基复合材料的界面剪应力，从而能够综合评价纤维增强陶瓷基复合材料的界面属性。
[0085]
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
[0086]
实施例1
[0087]
以c/sic纤维增强陶瓷基复合材料为测试样品，测试环境温度为25℃。按照本发明提供的预测方法建立所述纤维增强陶瓷基复合材料迟滞回线宽度，根据试验测量的迟滞回线宽度与理论预测迟滞回线宽度进行数值迭代得到纤维增强陶瓷基复合材料的界面剪应力，从而综合评估测试样品的界面属性：
[0088]
测试样品涉及的基础参数如下：
[0089]vf
＝0.4，rf＝3.5μm，ef＝230gpa，em＝300gpa，αf＝-0.38
×
10-6
/℃，αm＝2.8
×
10-6
/℃，δt＝-1000℃，τi＝15mpa，γi＝0.1j/m2。
[0090]
所得测试结果如图1所示，其中预测值为按照本发明的预测方法得到的结果，试验值为根据试验得到的迟滞回线宽度。根据图1可以看出，按照本发明提供的预测方法能够准确预测纤维增强陶瓷基复合材料的迟滞回线宽度，从而准确预测纤维增强陶瓷基复合材料的界面剪应力，可综合评估纤维增强陶瓷基复合材料的界面属性。
[0091]
尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。