3D C/SiC在复杂耦合环境中的损伤机理与寿命预测

摘要

本文以航空发动机热端服役环境为应用背景建立环境试验模拟平台，对3DC/SiC在复杂耦合条件下的环境性能进行系统测试。然后基于试验过程中3DC/SiC的伸长、电阻变化等损伤过程信息和试验后复合材料在弯曲和拉伸试验中的载荷-位移曲线、微结构照片等损伤终态信息，研究3D C/SiC在航空发动机等效模拟环境、风洞模拟环境和热震模拟环境中的损伤过程、损伤模式、损伤机理及其影响因素。在此基础上建立3D C/SiC应力氧化损伤模型，并实现寿命预测。 基于相似理论，采用分步模拟、逐步逼近的方法建立了航空发动机热结构材料环境性能试验模拟平台。该试验模拟平台由等效模拟系统和风洞模拟系统两部分组成，实现了对燃气温度、燃气流速、氧分压、水分压和熔盐分压等热物理化学环境以及蠕变、疲劳和热震疲劳等复杂应力环境的耦合模拟，并可以在线监测材料长度、电阻等多种过程演变信息，可以有效地模拟C/SiC在航空发动机热端环境中的失效机理，具有科学、简易和低成本等优点。 研究了3D C/SiC在等效模拟环境中的应力氧化损伤过程及其机理，并分析了热物理化学环境参数、复杂应力参数对应力氧化损伤的影响。研究表明，3DC/SiC的应力损伤过程具有继承性和周期性。提出3D C/SiC分区承载、分区损伤的应力损伤模式，该模式不受应力类型影响，承载区域的大小取决于受力历史中的最大值。氧气是导致3D C/SiC损伤的主要原因，水蒸气和硫酸钠熔盐蒸气加速3D C/SiC的氧化损伤，应力参数影响复合材料损伤的速率。3D C/SiC界面层较薄时，适当的界面损伤提高复合材料强度。 研究了3D C/SiC在航空发动机风洞模拟环境中的损伤过程及其机理，并分析了燃气温度、界面层厚度、纤维预制体结构和纤维类型对复合材料应力损伤的影响。研究表明，3D C/SiC的氧化机理随归一化应力不同而不同：归一化应力大于0.4时，氧化由C相反应控制；归一化应力小于0.4且大于0.25时，氧化主要由气体通过裂纹的扩散控制：归一化应力小于0.25时，氧化主要由气体通过尺寸小于裂纹的制备缺陷的扩散控制。3D C/SiC的强度下降速率随纤维预制体的编织角的增大而增大，随纤维抗氧化性能的提高而减小。燃气流速对3D C/SiC应力氧化损伤的加速与复合材料的氧化机理有关。氧化由气体扩散控制时，加速作用很剧烈；氧化由C相反应控制时，加速作用也很显著。 研究了界面层较薄的3D C/SiC在热震模拟环境中的氧化损伤机理，并探讨了应力氧化对该复合材料热震损伤的影响。研究表明，700-1200℃热震时界面层较薄的3D C/SiC存在损伤饱和现象，且在热震60次后出现。热震是导致复合材料损伤的主要原因，应力氧化加速热震过程中的界面损伤。热震加速界面层较薄3D C/SiC复合材料的应力氧化损伤，加速程度取决于复合材料界面结合强度。基于3D C/SiC在等效模拟环境、风洞模拟环境和热震模拟环境中相似的损伤模式，建立了包括已承载区域、承载区域和未承载区域的统一的分区域应力氧化模型。基于分区域应力氧化模型，推导出了3D C/SiC在等效模拟环境中的寿命预测公式。该公式不仅与环境温度、环境总压、氧分压和应力有关系，还与材料的纤维特性、预制体结构和试样尺寸有关。另外还基于分区域应力氧化模型，推导出了3D C/SiC在风洞模拟环境中的寿命预测公式。该公式不仅包含了燃气流速、燃气组分、氧分压以及应力对复合材料寿命的影响，还包含了材料的纤维特性、预制体结构和试样尺寸等结构参数对复合材料寿命的影响，而温度、应力、总压及氧分压等的影响则通过裂纹宽度引入到公式中。计算表明预测公式在适用范围内具有较好的预测精度，预测结果与试验结果具有相同数量级。

目录

文摘

英文文摘

声明

论文的主要创新与贡献

第一章绪论

1.1引言

1.2 C/SiC复合材料的应用

1.3 C/SiC复合材料的环境性能研究

1.3.1环境模拟研究

1.3.2无应力氧化与腐蚀研究

1.3.3应力氧化研究

1.3.4热震氧化研究

1.3.5寿命预测研究

1.3.6氧化损伤过程研究

1.4本文的选题依据和研究目标

1.5研究内容

参考文献

第二章航空发动机热结构材料环境性能试验模拟平台

2.1引言

2.2模拟原理及方法

2.3模拟环境条件确定

2.4试验模拟平台的研制

2.4.1等效模拟系统的组成

2.4.2 风洞模拟系统的组成

2.5参数标定

2.5.1恒温加热装置温度场标定

2.5.2热震加热装置温度场标定

2.5.3高温燃气风洞温度场标定

2.5.4材料应变测量标定

2.5.5电阻变化检测

2.6试验模拟平台测试

2.6.1等效模拟系统测试

2.6.2风洞模拟系统测试

2.7试验模拟平台等效性验证

2.8本章小结

参考文献

第三章材料制备及试验方法

3.1引言

3.2材料制备

3.2.1试样制备过程

3.2.2试样形状及尺寸

3.3力学性能测试与微结构观察

3.3.1拉伸强度测试方法

3.3.2弯曲强度测试方法

3.3.3微结构观察

3.4等效环境模拟试验

3.4.1材料

3.4.2试验过程

3.5风洞环境模拟试验

3.5.1材料

3.5.2试验过程

3.6热震环境模拟试验

3.6.1材料

3.6.2试验过程

参考文献

第四章3D C/SiC在等效模拟环境中的损伤机理

4.1引言

4.2疲劳应力氧化机理

4.2.1 3DCSC-A的疲劳应力氧化

4.2.2 3DCSC-B的疲劳应力氧化

4.2.3不同材料的疲劳应力氧化对比

4.3 3DCSC-B的耦合应力氧化机理

4.3.1氩气环境中耦合应力对3DCSC-B的损伤

4.3.2氧气环境中耦合应力对3DCSC-B的损伤

4.3.3湿氧环境中耦合应力对3DCSC-B的损伤

4.4本章小结

参考文献

第五章3D C/SiC在风洞模拟环境中的损伤机理

5.1引言

5.2 3DCSC-A在燃气中的应力氧化机理

5.3 3DCSC-B在燃气中的应力氧化机理

5.3.1复合材料伸长

5.3.2复合材料拉伸强度

5.3.3复合材料弯曲强度

5.4界面层厚度对3DC/SiC燃气应力耦合环境氧化损伤的影响

5.5预制体结构对3D C/SiC燃气应力耦合环境氧化损伤的影响

5.6纤维对3D C/SiC燃气应力耦合环境氧化损伤的影响

5.7燃气流速对3D C/SiC应力氧化的加速

5.8本章小结

参考文献

第六章3D C/SiC在热震模拟环境中的损伤机理

6.1引言

6.2热震对3D C/SiC的损伤

6.3气氛对3D C/SiC热震损伤的影响

6.4应力对3D C/SiC热震损伤的影响

6.5本章小结

参考文献

第七章3D C/SiC复合材料的应力氧化寿命预测

7.1引言

7.2统一的应力氧化损伤模型

7.3 C/SiC复合材料的损伤预测模型

7.3.1建模

7.3.2等效模拟环境寿命预测

7.3.3风洞模拟环境寿命预测

7.3.4裂纹愈合情况的环境寿命预测

7.3.5应力类型的引入

7.3.6热震影响的处理

7.4验证计算

7.4.1等效模拟环境寿命预测验证

7.4.2风洞模拟环境寿命预测验证

7.4.3热震模拟环境寿命预测验证

7.5本章小结

参考文献

结论

问题与展望

攻读博士学位期间发表的学术论文

致谢