CN110322937A - 一种考虑制备工艺的陶瓷基复合材料强度预测方法 - Google Patents

一种考虑制备工艺的陶瓷基复合材料强度预测方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110322937A
CN110322937A CN201910618453.3A CN201910618453A CN110322937A CN 110322937 A CN110322937 A CN 110322937A CN 201910618453 A CN201910618453 A CN 201910618453A CN 110322937 A CN110322937 A CN 110322937A
Authority
CN
China
Prior art keywords
fiber
ceramic matric
matric composite
stress
preparation process
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
CN201910618453.3A
Other languages
English (en)
Inventor
张盛
高希光
宋迎东
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Original Assignee
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanjing University of Aeronautics and Astronautics filed Critical Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority to CN201910618453.3A priority Critical patent/CN110322937A/zh
Publication of CN110322937A publication Critical patent/CN110322937A/zh
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G16—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
    • G16C—COMPUTATIONAL CHEMISTRY; CHEMOINFORMATICS; COMPUTATIONAL MATERIALS SCIENCE
    • G16C60/00—Computational materials science, i.e. ICT specially adapted for investigating the physical or chemical properties of materials or phenomena associated with their design, synthesis, processing, characterisation or utilisation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Bioinformatics & Computational Biology (AREA)
  • Nonwoven Fabrics (AREA)

Abstract

一种考虑制备工艺的陶瓷基复合材料强度预测方法，陶瓷基复合材料的制备工艺包含长时间的高温热处理过程，该热处理过程会降低纤维强度并改变纤维强度的分散性，因此陶瓷基复合材料中纤维的性能并不等于材料制备前纤维的性能。本发明按照陶瓷基复合材料的制备工艺对纤维进行热处理，热处理后纤维的性能更接近陶瓷基复合材料中纤维的实际性能。然后测量热处理后纤维的强度分布，根据该纤维强度分布预测陶瓷基复合材料的强度，可以大大提高预测结果的精度。

Description

一种考虑制备工艺的陶瓷基复合材料强度预测方法
技术领域
本发明属于复合材料力学性能预测领域，具体涉及一种考虑制备工艺的陶瓷基复合材料强度预测方法。
背景技术
纤维增强陶瓷基复合材料由于具有低密度和高耐温性，在航空发动机热端部件的应用上已经显示出巨大的发展潜力。强度是陶瓷基复合材料最重要的性能之一，进行陶瓷基复合材料结构设计要求设计人员能准确预测材料的强度。作为增强相，纤维的强度性能对陶瓷基复合材料的强度影响很大。现有的陶瓷基复合材料强度预测方法往往就是根据纤维强度预测陶瓷基复合材料的强度。然而这些方法都没有考虑陶瓷基复合材料制备工艺对纤维强度性能的影响。事实上，陶瓷基复合材料的制备工艺包含了长时间(周期长达数百小时)的高温热处理(温度在1000℃以上)过程，该热处理过程会降低纤维强度并改变纤维强度的分散性，改变纤维的强度性能，因此陶瓷基复合材料中纤维的性能并不等于材料制备前纤维的性能。因此，若准确预测陶瓷基复合材料的强度，必须要考虑制备工艺对纤维性能影响。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足，提供一种考虑制备工艺的陶瓷基复合材料强度预测方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种考虑制备工艺的陶瓷基复合材料强度预测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：采用与陶瓷基复合材料制备工艺相同的热处理过程对纤维束进行热处理；
步骤2：对热处理后的纤维进行纤维单丝拉伸试验，得到纤维强度分布；
步骤3：将陶瓷基复合材料中每根纤维等分为很多个纤维微元，基于纤维强度分布，确定各微元的强度式中i和j表示第i根纤维上的第j个微元；
步骤4：给定陶瓷基复合材料平均应力σ，计算各微元上的应力若则纤维在该微元处断裂；
步骤5：计算每根纤维在基体裂纹平面处的应力式中i表示第i根纤维；
步骤6：根据每根纤维在基体裂纹平面处的应力，计算纤维断裂后复合材料的平均应力
步骤7：计算陶瓷基复合材料强度Sc。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
进一步地，步骤3中，各微元的强度由步骤3中测得的纤维强度分布和选取的纤维强度模型得到。
进一步地，步骤4中，各微元上的应力由选取的陶瓷基复合材料组分应力分布模型得到。
进一步地，步骤5中，若某根纤维上的所有微元都未断裂，则该纤维在基体裂纹平面处的应力为否则计算该纤维在基体裂纹平面处的应力的方法为其中L为基体裂纹平面到最近的断裂微元的距离，τ是纤维/基体间界面剪应力，rf是纤维半径，vf是纤维体积分数。
进一步地，步骤6中，计算纤维断裂后复合材料平均应力的方法为其中vf是纤维体积分数，Nf是纤维总数。
进一步地，步骤7中，计算陶瓷基复合材料强度的方法为其中vf是纤维体积分数，Nf是纤维总数。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种考虑制备工艺中高温对纤维性能影响的陶瓷基复合材料强度预测方法，按照陶瓷基复合材料的制备工艺对纤维进行热处理，热处理后纤维的性能更接近陶瓷基复合材料中纤维的实际性能。然后测量热处理后纤维的强度分布，根据该纤维强度分布预测陶瓷基复合材料的强度，可以大大提高预测结果的精度。
附图说明
图1是本发明纤维微元示意图。
图2是本发明测量得到的热处理后纤维强度分布直方图。
图3是本发明测量得到的热处理前纤维强度分布直方图。
图中：1-纤维，2-基体，3-第i根纤维上的第j个纤维微元。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供一种考虑制备工艺中高温对纤维性能影响的陶瓷基复合材料强度预测方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：将一束纤维置于高温炉中，该纤维与陶瓷基复合材料中的纤维是同一牌号，按照陶瓷基复合材料的制备工艺对该纤维束进行热处理。
步骤2：对热处理后的纤维进行纤维单丝拉伸试验，得到热处理后纤维的强度分布。
步骤3：将陶瓷基复合材料中每根纤维等分为很多个纤维微元，如图1所示，选取合适的纤维强度模型，由纤维强度模型根据测得的热处理后纤维强度分布计算得到第i根纤维上第j个微元的强度
步骤4：给定陶瓷基复合材料平均应力σ，选取陶瓷基复合材料组分应力分布模型，计算得到第i根纤维上第j个微元的应力若则纤维在该微元处断裂。
步骤5：根据纤维断裂位置计算每根纤维在基体裂纹平面处的应力，对于第i根纤维，若纤维上的所有微元都未断裂，则该纤维在基体裂纹平面处的应力为否则该纤维在基体裂纹平面处的应力为
步骤6：根据纤维在基体裂纹平面处的应力，计算纤维断裂后陶瓷基复合材料的平均应力：
步骤7：给定不同的σ，可以计算得到不同的取的最大值即是陶瓷基复合材料的强度Sc，即
实施例：
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案和有益效果，本发明在实施例中针对SiC/SiC陶瓷基复合材料进行强度预测。
SiC/SiC陶瓷基复合材料的制备工艺包含了氩气氛围下500h的1100℃热处理，因此本实施例在氩气氛围下对SiC纤维进行了500h的1100℃热处理。对热处理后的SiC纤维进行单丝拉伸试验，纤维单丝长Lt＝25mm，测得其强度分布直方图如图2所示。
将陶瓷基复合材料中每根纤维等分为很多个纤维微元，如图1所示，每个微元长Δl＝0.02mm，本实施例中选取纤维缺陷分布模型来确定各微元的强度。由测得的热处理后SiC纤维强度分布确定纤维中各级缺陷参数如表1所示，表中Sj表示第j级缺陷的强度，P(Aj)表示整根纤维上出现第j级缺陷的概率。
表1 SiC纤维各级缺陷参数
由表1中的P(Aj)计算出各级缺陷出现在纤维微元上的概率用计算机产生一个随机数ξ(0＜ξ＜1)，若ξ＜Pj，则认为该微元上存在第j类缺陷，微元的强度等于最低级缺陷对应的强度。
本实施例中给定SiC/SiC陶瓷基复合材料平均应力σ＝400MPa，并选取剪滞模型来计算纤维应力分布。第i根纤维上第j个微元的应力为：
式中Lflaw为该微元离最近的基体裂纹平面的距离，d是脱粘区长度，是粘结区纤维应力。若则纤维在该微元处断裂。若纤维上有微元断裂，则根据断裂微元的位置计算该纤维在体裂纹平面处的应力为若纤维上无微元断裂，则该纤维在体裂纹平面处的应力为根据纤维在基体裂纹平面处的应力，计算纤维断裂后SiC/SiC陶瓷基复合材料的平均应力为
给定不同的σ，可以计算得到不同的取的最大值即是SiC/SiC陶瓷基复合材料强度Sc。本实施例中计算得SiC/SiC陶瓷基复合材料的强度为581.6MPa，试验结果是570.7MPa，误差为1.9％。
本实施例还计算了当不考虑制备工艺中高温对纤维性能影响时的SiC/SiC陶瓷基复合材料的强度，图3是测量得到的未经过热处理的SiC纤维的强度分布，根据该强度分布计算得到SiC/SiC陶瓷基复合材料的强度为886.3MPa，与试验结果误差高达55.3％。因此本发明提供的一种考虑制备工艺中高温对纤维性能影响的陶瓷基复合材料强度预测方法能显著提高预测精度。
需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种考虑制备工艺的陶瓷基复合材料强度预测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：采用与陶瓷基复合材料制备工艺相同的热处理过程对纤维束进行热处理；
步骤2：对热处理后的纤维进行纤维单丝拉伸试验，得到纤维强度分布；
步骤3：将陶瓷基复合材料中每根纤维等分为很多个纤维微元，基于纤维强度分布，确定各微元的强度式中i和j表示第i根纤维上的第j个微元；
步骤4：给定陶瓷基复合材料平均应力σ，计算各微元上的应力若则纤维在该微元处断裂；
步骤5：计算每根纤维在基体裂纹平面处的应力式中i表示第i根纤维；
步骤6：根据每根纤维在基体裂纹平面处的应力，计算纤维断裂后复合材料的平均应力
步骤7：计算陶瓷基复合材料强度Sc。
2.如权利要求1所述的一种考虑制备工艺的陶瓷基复合材料强度预测方法，其特征在于：步骤3中，各微元的强度由步骤3中测得的纤维强度分布和选取的纤维强度模型得到。
3.如权利要求1所述的一种考虑制备工艺的陶瓷基复合材料强度预测方法，其特征在于：步骤4中，各微元上的应力由选取的陶瓷基复合材料组分应力分布模型得到。
4.如权利要求1所述的一种考虑制备工艺的陶瓷基复合材料强度预测方法，其特征在于：步骤5中，若某根纤维上的所有微元都未断裂，则该纤维在基体裂纹平面处的应力为否则计算该纤维在基体裂纹平面处的应力的方法为其中L为基体裂纹平面到最近的断裂微元的距离，τ是纤维/基体间界面剪应力，rf是纤维半径，vf是纤维体积分数。
5.如权利要求1所述的一种考虑制备工艺的陶瓷基复合材料强度预测方法，其特征在于：步骤6中，计算纤维断裂后复合材料平均应力的方法为其中vf是纤维体积分数，Nf是纤维总数。
6.如权利要求1所述的一种考虑制备工艺的陶瓷基复合材料强度预测方法，其特征在于：步骤7中，计算陶瓷基复合材料强度的方法为其中vf是纤维体积分数，Nf是纤维总数。
CN201910618453.3A 2019-07-09 2019-07-09 一种考虑制备工艺的陶瓷基复合材料强度预测方法 Withdrawn CN110322937A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910618453.3A CN110322937A (zh) 2019-07-09 2019-07-09 一种考虑制备工艺的陶瓷基复合材料强度预测方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910618453.3A CN110322937A (zh) 2019-07-09 2019-07-09 一种考虑制备工艺的陶瓷基复合材料强度预测方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN110322937A true CN110322937A (zh) 2019-10-11

Family

ID=68121725

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910618453.3A Withdrawn CN110322937A (zh) 2019-07-09 2019-07-09 一种考虑制备工艺的陶瓷基复合材料强度预测方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110322937A (zh)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103724033A (zh) * 2013-07-23 2014-04-16 太仓派欧技术咨询服务有限公司 一种立体织物增强氮化硅-碳化硅陶瓷复合材料及其制备方法
CN109781546A (zh) * 2018-12-29 2019-05-21 南京航空航天大学 一种编织陶瓷基复合材料拉伸强度的预测方法
CN109840392A (zh) * 2019-03-26 2019-06-04 南京航空航天大学 一种陶瓷基复合材料疲劳极限的快速预测方法
CN109858171A (zh) * 2019-02-14 2019-06-07 南京航空航天大学 编织陶瓷基复合材料应力-应变响应和强度的预测方法
CN109885863A (zh) * 2019-01-04 2019-06-14 南京航空航天大学 一种陶瓷基复合材料氧化环境下热膨胀系数预测方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103724033A (zh) * 2013-07-23 2014-04-16 太仓派欧技术咨询服务有限公司 一种立体织物增强氮化硅-碳化硅陶瓷复合材料及其制备方法
CN109781546A (zh) * 2018-12-29 2019-05-21 南京航空航天大学 一种编织陶瓷基复合材料拉伸强度的预测方法
CN109885863A (zh) * 2019-01-04 2019-06-14 南京航空航天大学 一种陶瓷基复合材料氧化环境下热膨胀系数预测方法
CN109858171A (zh) * 2019-02-14 2019-06-07 南京航空航天大学 编织陶瓷基复合材料应力-应变响应和强度的预测方法
CN109840392A (zh) * 2019-03-26 2019-06-04 南京航空航天大学 一种陶瓷基复合材料疲劳极限的快速预测方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
GUANGWU FANG等: "A residual strength model for the fatigue strengthening behavior of 2D needled CMCs", 《ELSEVIER》 *
SHENG ZHANG等: "Prediction of strength and constitutive response of SiC/SiC composites considering fiber failure", 《ELSEVIER》 *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Gong et al. R-curve behaviour of the mixed-mode I/II delamination in carbon/epoxy laminates with unidirectional and multidirectional interfaces
Gauthier et al. Delayed failure of Hi‐Nicalon and Hi‐Nicalon S multifilament tows and single filaments at intermediate temperatures (500–800 C)
Li et al. High‐performance glass fiber development for composite applications
CN103439194B (zh) 一种能够获得裂纹扩展s-n曲线的复合材料ii型裂纹扩展速率测定方法
Cruse Tensile strength of notched composites
WO2019033668A1 (zh) 一种脆性材料在高温蠕变状态下失效概率的预测方法
Xie et al. Size effect research of tensile strength of bamboo scrimber based on boundary effect model
CN110309619A (zh) 一种考虑断裂纤维承载的陶瓷基复合材料强度预测方法
Veer et al. The strength of annealed, heat‐strengthened and fully tempered float glass
Cho et al. Distribution of matrix cracks in a uniaxial ceramic composite
CN109858171A (zh) 编织陶瓷基复合材料应力-应变响应和强度的预测方法
CN109991077A (zh) 一种复合材料混合型分层阻力曲线的预测方法
Zhang et al. In situ strength model for continuous fibers and multi-scale modeling the fracture of C/SiC composites
CN106777562B (zh) 一种确定陶瓷基复合材料强度的方法
Zhang et al. Modeling of fatigue failure for SiC/SiC ceramic matrix composites at elevated temperatures and multi-scale experimental validation
CN109840392B (zh) 一种陶瓷基复合材料疲劳极限的快速预测方法
Tang et al. Low cycle fatigue modeling for nickel-based single crystal superalloy
CN110322937A (zh) 一种考虑制备工艺的陶瓷基复合材料强度预测方法
Shao et al. Scaling analysis of the tensile strength of bamboo fibers using Weibull statistics
He et al. Crack bridging by through-thickness reinforcement in delaminating curved structures
CN112540006A (zh) 一种纤维束丝高温拉伸性能测试方法及装置
Lei Statistics of single‐fibre tensile strength incorporating spatial distribution of microcracks
Talreja A mechanisms‐based reliability model for fatigue of composite laminates
CN110020507B (zh) 一种预制盾构管片蒸汽养护前最短静停时间的预测方法
CN110672410B (zh) 一种复合材料中纤维断裂位置模拟方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WW01 Invention patent application withdrawn after publication
WW01 Invention patent application withdrawn after publication

Application publication date: 20191011