一种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

摘要

本发明属于纤维增强陶瓷基复合材料界面属性预测技术领域，具体涉及一种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。本发明提供了的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，首先分析陶瓷基复合材料拉伸损伤后的细观应力场，获得纤维轴向应力分布，采用断裂力学方法确定拉伸损伤过程中的界面脱粘长度，采用随机开裂模型确定基体裂纹间距，采用总体承担载荷确定纤维断裂概率，获得复合材料不同损伤阶段的应力‑应变本构关系，对所述应力‑应变本构关系求导获得复合材料的切线模量，利用切线模量计算得到纤维增强陶瓷基复合材料的界面剪应力；从而实现对纤维增强陶瓷基复合材料界面性能的综合评估。

说明书

技术领域

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，具体涉及一种通过切线模量预测纤维增强陶瓷基复合材料界面属性的方法。

背景技术

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。由CFM公司研制的LEAP(Leading Edge AviationPropulsion,LEAP)系列发动机，高压涡轮采用了由编织陶瓷基复合材料制备的部件，LEAP-1B发动机为空客A320和波音737MAX提供动力，LEAP-X1C发动机是我国大型飞机C919选用的唯一动力装置。

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属性的方法有纤维推入、推出试验，然而上述方法仅能获得单根纤维的界面属性，无法综合评估纤维增强陶瓷基复合材料的界面属性。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种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，本发明提供的方法能够准确综合评估纤维增强陶瓷基复合材料界面属性。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种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，包括如下步骤：

(1)通过剪滞模型得到纤维增强陶瓷基复合材料拉伸损伤后的细观应力场，获得不同损伤阶段的纤维轴向应力分布；所述不同损伤阶段包括无损伤阶段、基体开裂及界面脱粘损伤阶段的和纤维断裂阶段；

(2)采用界面断裂力学方法得到所述拉伸损伤后纤维增强陶瓷基复合材料的界面脱粘长度；

(3)采用随机开裂模型得到基体裂纹间距；

(4)采用总体载荷承担准则得到所述纤维增强陶瓷基复合材料中纤维断裂的概率；

(5)根据步骤(1)～(4)的结果得到纤维增强陶瓷基复合材料不同损伤阶段的应力-应变本构关系；对所述应力-应变本构关系求导，得到不同损伤阶段的切线模量；将试验测量的切线模量与理论预测值进行数值迭代，计算得到纤维增强陶瓷基复合材料的界面剪应力；

步骤(2)～(4)没有时间先后顺序的限定。

优选的：所述步骤(1)中，纤维增强陶瓷基复合材料无损伤阶段的纤维轴向应力分布如式1所示：

其中，σ

优选的，所述步骤(1)中，纤维增强陶瓷基复合材料基体开裂及界面脱粘损伤阶段的纤维轴向应力分布如式2所示：

其中，σ

优选的，所述步骤(1)中，纤维增强陶瓷基复合材料纤维断裂阶段纤维轴向应力分布如式3所示：

其中，σ

优选的，所述步骤(2)中，界面脱粘长度由式4所示关系得到：

其中，E

优选的，所述步骤(3)中，基体裂纹间距由式5所示关系得到：

其中，l

优选的，所述步骤(4)中，纤维断裂的概率由式6和式7所示关系得到：

其中，P为纤维断裂的概率，σ

优选的，所述步骤(5)中，纤维增强陶瓷基复合材料无损阶段应力-应变本构关系如式8所示：

其中，ε

优选的，所述步骤(5)中，纤维增强陶瓷基复合材料基体开裂、界面脱粘阶段的应力-应变本构关系如式9所示：

其中，η为界面脱粘比，E

优选的，所述步骤(5)中，纤维增强陶瓷基复合材料纤维断裂阶段的应力-应变本构关系如式10所示：

本发明提供了一种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，包括如下步骤：(1)通过剪滞模型得到纤维增强陶瓷基复合材料拉伸损伤后的细观应力场，获得不同损伤阶段的纤维轴向应力分布；所述不同损伤阶段包括无损伤阶段、基体开裂及界面脱粘损伤阶段的和纤维断裂阶段；(2)采用界面断裂力学方法得到所述拉伸损伤后纤维增强陶瓷基复合材料的界面脱粘长度；(3)采用随机开裂模型得到基体裂纹间距；(4)采用总体载荷承担准则得到所述纤维增强陶瓷基复合材料中纤维断裂的概率；(5)根据步骤(1)～(4)的结果得到纤维增强陶瓷基复合材料不同损伤阶段的应力-应变本构关系；对所述应力-应变本构关系求导，得到不同损伤阶段的切线模量；将试验测量的切线模量与理论预测值进行数值迭代，计算得到纤维增强陶瓷基复合材料的界面剪应力；步骤(2)～(4)没有时间先后顺序的限定。界面剪应力影响纤维增强陶瓷基复合材料拉伸损伤阶段的切线模量，本发明通过建立纤维增强陶瓷基复合材料切线模型与应力-应变本构关系之间的关联关系，得到不同损伤阶段的切线模量，得到纤维增强陶瓷基复合材料的界面剪应力，进而预测纤维增强陶瓷基复合材料的界面性能实现对纤维增强陶瓷基复合材料界面性能的综合评估。

附图说明

图1为纤维增强陶瓷基复合材料切线模量的试验值与预测值的曲线对比图。

具体实施方式

本发明所述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。

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

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。

本发明提供了一种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，包括如下步骤：

(1)通过剪滞模型得到纤维增强陶瓷基复合材料拉伸损伤后的细观应力场，获得不同损伤阶段的纤维轴向应力分布；所述不同损伤阶段包括无损伤阶段、基体开裂及界面脱粘损伤阶段的和纤维断裂阶段；

(2)采用界面断裂力学方法得到所述拉伸损伤后纤维增强陶瓷基复合材料的界面脱粘长度；

(3)采用随机开裂模型得到基体裂纹间距；

(4)采用总体载荷承担准则得到所述纤维增强陶瓷基复合材料中纤维断裂的概率；

(5)根据步骤(1)～(4)的结果得到纤维增强陶瓷基复合材料不同损伤阶段的应力-应变本构关系；对所述应力-应变本构关系求导，得到不同损伤阶段的切线模量；将试验测量的切线模量与理论预测值进行数值迭代，得到纤维增强陶瓷基复合材料的界面剪应力；

步骤(2)～(4)没有时间先后顺序的限定。

本发明通过剪滞模型得到纤维增强陶瓷基复合材料拉伸损伤后的细观应力场，获得不同损伤阶段的纤维轴向应力分布。本发明优选先建立纤维增强陶瓷基复合材料单胞模型，然后再通过剪滞模型得到纤维增强陶瓷基复合材料拉伸损伤后的细观应力场。在本发明中，所述单胞模型为纤维和基体构成的单元体。

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，所述不同损伤阶段优选包括无损伤阶段、基体开裂及界面脱粘损伤阶段的和纤维断裂阶段。

在本发明中，所述剪滞模型优选法为BHE剪滞模型剪滞模型。在本发明中，纤维增强陶瓷基复合材料无损伤阶段的纤维轴向应力分布优选如式1所示：

其中，σ

在本发明中，所述纤维增强陶瓷基复合材料基体开裂及界面脱粘损伤阶段的纤维轴向应力分布优选如式2所示：

其中，σ

在本发明中，所述纤维增强陶瓷基复合材料纤维断裂阶段纤维轴向应力分布优选如式3所示：

其中，σ

得到不同损伤阶段的纤维轴向应力分布后，本发明采用界面断裂力学方法得到所述拉伸损伤后纤维增强陶瓷基复合材料的界面脱粘长度。本发明通过纤维轴向应力分布能够得到纤维在裂纹平面出的位移，从而确定界面脱粘长度。

在本发明中，所述界面脱粘长度优选由式4所示关系得到：

其中，E

得到不同损伤阶段的纤维轴向应力分布后，本发明采用随机开裂模型得到基体裂纹间距。在本发明中，将纤维增强陶瓷基复合材料进行拉伸损伤过程中，基体会在拉伸载荷作用下发生随机开裂。在本发明中，所述基体裂纹间距优选由式5所示关系得到：

其中，l

在本发明中，σ

得到不同损伤阶段的纤维轴向应力分布后，本发明采用总体载荷承担准则得到所述纤维增强陶瓷基复合材料中纤维断裂的概率。在本发明中，当纤维发生断裂时，完好纤维与断裂纤维之间满足总体载荷承担准则。在本发明中，所述纤维断裂的概率优选由式6和式7所示关系得到：

其中，P为纤维断裂的概率，σ

得到不同损伤阶段的纤维轴向应力分布、界面脱粘长度、基体裂纹间距和纤维断裂的概率后，本发明根据其结果得到纤维增强陶瓷基复合材料不同损伤阶段的应力-应变本构关系；对所述应力-应变本构关系求导，得到不同损伤阶段的切线模量；将试验测量的切线模量与理论预测值进行数值迭代，得到纤维增强陶瓷基复合材料的界面剪应力。在本发明中，纤维增强陶瓷基复合材料无损阶段应力-应变本构关系优选如式8所示：

其中，ε

在本发明中，纤维增强陶瓷基复合材料基体开裂、界面脱粘阶段的应力-应变本构关系优选如式9所示：

其中，η为界面脱粘比，E

在本发明中，η优选根据式9-1计算得到：

在本发明中，ρ优选根据式9-2计算得到：

其中，G

在本发明中，σ

在本发明中，σ

在本发明中，纤维增强陶瓷基复合材料纤维断裂阶段的应力-应变本构关系如式10所示：

在本发明中，纤维增强陶瓷基复合材料的切线模量优选如式11所示：

其中，E

在本发明中，所述切线模量优选包括不同损伤阶段的切线模量。在本发明中，所述不同损伤阶段的切线模量优选对相应损伤阶段的应力-应变本构关系求导得到。

本发明提供的一种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，首先分析陶瓷基复合材料拉伸损伤后的细观应力场，获得纤维轴向应力分布，采用断裂力学方法确定拉伸损伤过程中的界面脱粘长度，采用随机开裂模型确定基体裂纹间距，采用总体承担载荷确定纤维断裂概率，获得复合材料不同损伤阶段的应力-应变本构关系，对所述应力-应变本构关系求导获得复合材料的切线模量，利用公式计算得到纤维增强陶瓷基复合材料的界面剪应力；从而实现对纤维增强陶瓷基复合材料界面性能的综合评估。

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。

实施例1

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不同损伤阶段的应力-应变本构关系，求导得到不同损伤阶段的切线模量，计算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：

测试样品涉及的基础参数如下：

V

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。