一种提高发动机热端构件用陶瓷基复合材料力学性能的纤维排布方式

摘要

本发明涉及一种提高发动机热端构件用陶瓷基复合材料力学性能的纤维排布方式，所述发动机热端构件用陶瓷基复合材料包括：多个在空间中重复排列的纤维结构单元；所述纤维结构单元包括：从上至下共4层，共10条纤维；其中，上2层共5条纤维，呈正三角排列；中间2层共6条纤维，呈四方排列；下2层共5条纤维，呈倒三角排列。采用本发明提供的提高发动机热端构件用陶瓷基复合材料力学性能的纤维排布方式，可以在一定程度上增大陶瓷基复合材料的横向力学性能，避免因复合材料的横向力学性能过低而导致的复合材料在纵向失效未达到指标前，复合材料横向的变形甚至开裂，从而综合改善陶瓷基复合材料的力学性能。

说明书

技术领域

本发明涉及复合材料力学性能测试的技术领域，具体涉及一种提高发动机热端构件用陶瓷基复合材料力学性能的纤维排布方式。

背景技术

由于SiC纤维和SiC基体的热膨胀系数差异较大，所以当陶瓷基复合材料SiCf\SiC经过制备、热处理等工艺后，复合材料中将会产生热残余应力，不同部位不同方向的热残余应力会对复合材料产生不同的影响。陶瓷基复合材料SiCf\SiC的纵向拉伸强度远大于横向拉伸强度，但由于陶瓷基复合材料SiCf\SiC在使用过程中会受到偏离纵向的载荷作用，所以如果复合材料的横向力学性能过低，会导致复合材料在纵向失效未达到指标前，就发生了横向的变形甚至开裂。

以往陶瓷基复合材料SiCf\SiC都是采用四方排布、六方排布等纤维排布方式，这些纤维排布方式对提高陶瓷基复合材料SiCf\SiC的力学性能有一定的局限性，材料的横向力学性能不能达到理想的效果，具体如下表所示。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供了提高发动机热端构件用陶瓷基复合材料力学性能的纤维排布方式，旨在在一定程度上增大陶瓷基复合材料的横向力学性能，避免因复合材料的横向力学性能过低而导致的复合材料在纵向失效未达到指标前，复合材料横向的变形甚至开裂，从而综合改善陶瓷基复合材料的力学性能。

为解决上述问题，本发明提供如下技术方案：一种提高发动机热端构件用陶瓷基复合材料力学性能的纤维排布方式，所述发动机热端构件用陶瓷基复合材料包括：多个在空间中重复排列的纤维结构单元；所述纤维结构单元包括：从上至下共4层，共10条纤维；其中，上2层共5条纤维，呈正三角排列；中间2层共6条纤维，呈四方排列；下2层共5条纤维，呈倒三角排列。

在本发明的进一步实施方式中，所述三角排列为等边三角排列。

在本发明的进一步实施方式中，所述四方排列为正方排列。

在本发明的进一步实施方式中，所述等边三角排列的边长与纤维直径相等。

在本发明的进一步实施方式中，所述正方排列的边长与纤维直径相等。

在本发明的进一步实施方式中，所述在空间中重复排列包括：在横向和纵向均为重复排列。

在本发明的进一步实施方式中，所述纤维结构单元中纤维的横截面为均为圆形、正方形或等边三角形。

在本发明的进一步实施方式中，所述纤维结构单元中上下两层纤维的横截面为圆形，中间两层纤维的横截面为正方形。

在本发明的进一步实施方式中，所述陶瓷基复合材料为SiCf\SiC复合材料。

采用本发明提供的提高发动机热端构件用陶瓷基复合材料力学性能的纤维排布方式，可以增大陶瓷基复合材料的横向力学性能，避免因复合材料的横向力学性能过低而导致的复合材料在纵向失效未达到指标前，复合材料横向的变形甚至开裂，从而综合改善陶瓷基复合材料的力学性能。

附图说明

图1为本发明实施例中的纤维结构单元的二维截面示意图；

图2为本发明实施例中的三角形排列的二维截面示意图；

图3为本发明实施例中的四方排列的二维截面示意图；

图4为本发明实施例中的另一种纤维结构单元的二维截面示意图；

图5为本发明实施例中的纤维结构单元横向重复排列形成的发动机热端构件用陶瓷基复合材料的实施例；

图6为本发明实施例中的纤维结构单元纵向重复排列形成的发动机热端构件用陶瓷基复合材料的实施例；

图7为本发明实施例中的纤维结构单元中上下两层纤维的横截面为圆形，中间两层纤维的横截面为正方形的实施例的二维截面示意图；

图8为本发明实施例中的选取纤维结构单元的二维截面示意图1\4作为模型的代表性体元的示意图；

图9为本发明实施例中的采用本发明提供的纤维排布方式的发动机热端构件用陶瓷基复合材料SiCf\SiC的立体模型；

图10为本发明实施例中的采用本发明提供的纤维排布方式的发动机热端构件用陶瓷基复合材料SiCf\SiC在纤维和基体交界面处得到的各种应力分布图；

图11为本发明实施例中的四方排布的二维截面示意图；

图12为本发明实施例中的采用四方排布的发动机热端构件用陶瓷基复合材料SiCf\SiC在纤维和基体交界面处得到的各种应力分布图；

图13为本发明实施例中的六方排布的二维截面示意图；

图14为本发明实施例中的采用六方排布的发动机热端构件用陶瓷基复合材料SiCf\SiC在纤维和基体交界面处得到的各种应力分布图；

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚的说明本发明的技术方案，因此只作为实例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明提供一种提高发动机热端构件用陶瓷基复合材料力学性能的纤维排布方式，发动机热端构件用陶瓷基复合材料包括：多个在空间中重复排列的纤维结构单元；

其中纤维结构单元具体可以包括如下几种实施例：

实施例一

图1为本发明提供的一种纤维结构单元的二维截面示意图；如图1所示，纤维结构单元包括：从上至下共4层，共10条纤维；其中，上2层共5条纤维，呈正三角排列；中间2层共6条纤维，呈四方排列；下2层共5条纤维，呈倒三角排列。

其中三角形排列如图2所示，3条纤维围合形成一三角形。

四方排列如图3所示，4条纤维围合形成一矩形。

其中，三角形排列的3条纤维围合形成的三角形的边长大于纤维直径。

四方排列的4条纤维围合形成的矩形的边长大于纤维直径。

实施例二

图4为本发明提供的另一种纤维结构单元的二维截面示意图；

所述纤维结构单元包括：从上至下共4层，共10条纤维；其中，上2层共5条纤维，呈正等边三角排列；中间2层共6条纤维，呈正方排列；下2层共5条纤维，呈倒等边三角排列。当然，除了等边三角形以外，等腰三角形排列也是可以的；等边三角形排列，其X方向正应力相比等腰三角形排列更低。(后文将对X方向正应力进行详细解释)

其中，三角形排列的3条纤维围合形成的三角形的边长等于纤维直径。

四方排列的4条纤维围合形成的矩形的边长等于纤维直径。

当三角形的边长等于纤维直径时，其X方向正应力相比边长大于纤维直径时更低。(后文将对X方向正应力进行详细解释)

当四方排列的4条纤维围合形成的矩形的边长等于纤维直径时，其X方向正应力相比边长大于纤维直径时更低。(后文将对X方向正应力进行详细解释)

另外，对于多个纤维结构单元在空间中重复排列方式，也具体存在以下几种实施方式：

实施例三

如图5所示，是以实施例一中的纤维结构单元横向重复排列形成的发动机热端构件用陶瓷基复合材料的实施例。

实施例四

如图6所示，是以实施例一中的纤维结构单元纵向重复排列形成的发动机热端构件用陶瓷基复合材料的实施例。

当然，上述两种实施方式多个纤维结构单元在空间中重复排列方式也可以结合形成一实施例。

另外，对于上述实施例中的纤维横截面，其中一个实施方式如图1所示是纤维的横截面为均为圆形的实施例，另外横截面均为正方形或等边三角形也可以；

另一实施方式如图7所示，纤维结构单元中上下两层纤维的横截面为圆形，中间两层纤维的横截面为正方形。

当然，纤维结构单元中纤维的横截面也可以是任意形状的任意组合，但是图1实施例中的横截面，其X方向正应力相比多种截面形状的随意组合更低。(后文将对X方向正应力进行详细解释)。

而实施例7中的横截面形状，则可以达到最低的X方向正应力。(后文将对X方向正应力进行详细解释)。

上述实施例中，所述陶瓷基复合材料可以是任意的陶瓷基复合材料，优选为SiCf\SiC复合材料，相比其它材料，SiCf\SiC复合材料的X方向正应力更低。

针对本发明提出的一种提高发动机热端构件用陶瓷基复合材料力学性能的纤维排布方式，通过有限元分析软件ANSYS模拟了采用该纤维排布方式的发动机热端构件用陶瓷基复合材料SiCf\SiC的力学性能，具体包括：在有限元分析软件ANSYS中建立发动机热端构件用陶瓷基复合材料SiCf\SiC的整体有限元分析模型；步骤1：设置保存路径，定义单元；步骤1.1：选择保存路径，改Job name和Title name。步骤1.2：定义单元类型为Structural Solid Brick 8node 45。步骤2：定义材料属性；把SiC纤维和SiC基体都看作线弹性材料，按照下列命令流输入材料属性：步骤2.1：输入/PREP7；分别输入SiC纤维的相关物理属性；步骤2.2：输入MP,alpx,1,0.4e-5，Mp,dens,1,3220，Mp,c,1,700，Mp,kxx,1,400，Mp,ex,1,4.02e11，Mp,prxy,1,0.25；再设置SiC基体的相关物理属性：步骤2.3：输入MP,alpx,2,0.82e-5，Mp,dens,1,3220，Mp,c,1,700，Mp,kxx,1,400，Mp,ex,1,4.02e11，Mp,prxy,1,0.23；步骤3：建立模型；按照图8的方法建立几何模型；选取1\4作为模型的代表性体元(图中矩形)，进行有限元分析。假定纤维和基体处于理想粘合状态；先画出圆柱体，再画出长方体，然后用减法去处重合区域，使用GLUE粘接两个部件；模型在Z方向高为1000μm，纤维直径为100μm；得到的结果如图9所示，图9为采用本发明提供的纤维排布方式的发动机热端构件用陶瓷基复合材料SiCf\SiC的立体模型；步骤4：对得到的模型进行网格划分；对模型进行限制最大单元尺寸为2μm的网格划分；步骤5：对模型施加对流载荷；按下列步骤输入命令流进行对流载荷的施加；步骤5.1：输入命令流：ALLSEL，/S OLU；步骤5.2：设置为瞬态分析：ANTYPE,4，TRNOPT,FULL，TIMINT,1，STRUCT，TIMINT,1，THERMTIMINT,0，MAG，TIMINT,0,ELECT；步骤5.3:指定瞬态积分参数：TINTP,0.005,-1,0.5,0.2；步骤5.4：为载荷步设置时间：TIME,600；步骤5.5：指定步长大小：DELTIM,30,10,100；步骤5.6：设置为阶跃方式：AUTOTS,ON，KBC,1；步骤5.7：写入每个子步的内容OUTRES,ALL；步骤5.8：对所有的节点指定一个均布体载荷：BFUNIF,TEMP,800；步骤5.9：选择所有外表面：在GUI界面上选择全部外表面；步骤5.10：设置对流载荷，热交换系数，参考温度：SFA,ALL,1,CONV,62.3,700；步骤6：在边界上施加位移约束和温度边界条件，包括以下步骤：步骤6.1：在垂直于Z轴的下表面和垂直于X轴的后表面施加位移约束为0；步骤6.2：在基体的外表面施加室温的边界温度条件；步骤7：求解；步骤7.1：输入SOLVE，显示采用本发明提供的纤维排布方式的发动机热端构件用陶瓷基复合材料SiCf\SiC的力学性能。选取通过最大等效应力的路径时，采用本发明提供的纤维排布方式的发动机热端构件用陶瓷基复合材料SiCf\SiC在纤维和基体交界面处得到的各种应力分布图，如图10所示。

同样的，通过有限元分析软件ANSYS模拟采用四方排布的发动机热端构件用陶瓷基复合材料SiCf\SiC的力学性能；图11为本发明实施例中的四方排布的二维截面示意图；选取通过最大等效应力的路径时，采用四方排布的发动机热端构件用陶瓷基复合材料SiCf\SiC在纤维和基体交界面处得到的各种应力分布图，如图12所示。

通过有限元分析软件ANSYS模拟采用六方排布的发动机热端构件用陶瓷基复合材料SiCf\SiC的力学性能；图13为本发明实施例中的六方排布的二维截面示意图；选取通过最大等效应力的路径时，采用六方排布的发动机热端构件用陶瓷基复合材料SiCf\SiC在纤维和基体交界面处得到的各种应力分布图，如图14所示。

在图10，图12，图14中，SX代表X方向的正应力；SY代表Y方向的正应力；SZ代表Z方向的正应力；SXY代表XOY面的切应力；SYZ代表YOZ面的切应力；SZX代表ZOX面的切应力。

如图10所示，对于采用本发明提供的纤维排布方式的发动机热端构件用陶瓷基复合材料SiCf\SiC来说，存在最大等效应力的路径时，纤维和基体的交界处的X方向的正应力约为238.8MPa；Y方向的正应力约为65.5MPa的拉应力；Z方向的正应力约为53.4MPa的拉应力；XOY面的切应力约为178.7MPa；YOZ面的切应力约为203.7MPa；ZOX面的切应力约为76.7MPa。由于X、Y方向受到的最大应力为238.8MPa，所以说明涂层两侧有一侧受到了238.8MPa的拉应力。切应力的最大值为203.7MPa，说明至少在涂层的一侧承受着203.7MPa的切应力。

如图12所示，对于采用四方排布的发动机热端构件用陶瓷基复合材料SiCf\SiC来说，存在最大等效应力的路径时，纤维和基体的交界处的X方向的正应力约为319.4MPa；Y方向的正应力约为71.2MPa；Z方向的正应力约为142.9MPa；XOY面的切应力约为528.4MPa；YOZ面的切应力约为239MPa；ZOX面的切应力约为142.9MPa。在X、Y方向的正应力最大为319.4MPa，说明至少在涂层的一侧承受着319.4MPa的拉压力。切应力的最大值为528.4MPa，说明至少在涂层的一侧承受着528.4MPa的切应力。

如图14所示，对于采用六方排布的发动机热端构件用陶瓷基复合材料SiCf\SiC来说，存在最大等效应力的路径时，纤维和基体的交界处的X方向的正应力约为268.5MPa；Y方向的正应力约为61.9MPa；Z方向的正应力约为14.2MPa；XOY面的切应力约为409.4MPa；YOZ面的切应力约为341.6MPa和ZOX面的切应力约为222.9MPa。由于X、Y方向受到的最大应力为268.5MPa，所以说明涂层两侧有一侧受到了268.5MPa的拉应力。切应力的最大值为409.4MPa，说明至少在涂层的一侧承受着409.4MPa的切应力。

将上述三种纤维排布方式的应力值作比较，结果如下表所示：

从表中数据可以看出：

当发动机热端构件用陶瓷基复合材料SiCf\SiC采用四方排布时：在涂层的一侧承受的最大拉应力为319.4MPa，涂层受到的最大切应力为528.4MPa；当发动机热端构件用陶瓷基复合材料SiCf\SiC采用六方排布时：涂层在此截面上受到的最大拉应力为268.5MPa，最大切应力为409.4MPa；当发动机热端构件用陶瓷基复合材料SiCf\SiC采用本发明提供的纤维排布方式时：涂层一侧受到的最大拉应力为238.8MPa，涂层在此处受到最大切应力为203.7MPa；由上可以看出采用本发明提供的纤维排布方式的发动机热端构件用陶瓷基复合材料SiCf\SiC可以明显降低涂层界面的切应力，一定程度上降低正应力，横向的力学性能较其他两种排布要好，有效地改善了SiC\SiC的横向力学性能。即：采用本发明提供的发动机热端构件用陶瓷基复合材料，可以在一定程度上增大陶瓷基复合材料的横向力学性能，避免因复合材料的横向力学性能过低而导致的复合材料在纵向失效未达到指标前，复合材料横向的变形甚至开裂，从而综合改善陶瓷基复合材料的力学性能。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。