CN111755082B - 一种高温湿氧环境中SiC/PyC/SiC复合材料内部腐蚀形貌预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高温湿氧环境中SiC/PyC/SiC复合材料内部腐蚀形貌预测方法，基于周期性假设将真实的复合材料简化为含微裂纹的单向复合材料单元；建立湿氧环境中SiC基体、SiC纤维和PyC界面的氧化动力学模型；基于传质学和氧化动力学建立裂纹通道和界面环形通道内的质量守恒微分方程；建立微分方程的边界条件和连续性条件；采用四阶龙格库塔法与二分法相结合的数值解法求解氧气浓度场和氧气浓度梯度场，进而求出复合材料内部的腐蚀形貌。本发明基于气体的质量守恒，能够实时预测复合材料基体裂纹内部氧化剂浓度、氧化层厚度、界面消耗长度以及气流通道形貌随时间和环境的耦合变化。
Description
技术领域
本发明属于SiC/PyC/SiC复合材料内部腐蚀形貌预测领域，特别涉及一种高温湿氧环境中SiC/PyC/SiC复合材料内部腐蚀形貌预测方法。
背景技术
碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(Silicon Carbide Fiber ReinforcedSilicon Carbide Composites,简称SiC/SiC)具有密度低、耐高温、比强度高、比模量高、硬度高以及耐腐蚀等优点，在航空发动机燃烧室和尾喷管调节片等热端部件上有着广阔的应用前景。热解碳(Pyrolytic Carbon,简称PyC)与碳化硅纤维、基体具有良好的兼容性，常被用作SiC/SiC复合材料的界面相。
然而，高温湿氧环境中的腐蚀问题始终是制约SiC/PyC/SiC使用与发展的一个重要问题。原因在于：航空发动机热端部件的服役环境极其恶劣，具有高温、高压、强腐蚀性的特征。环境中除了含有大量的氧气，还含有燃烧产生的水蒸气，约占10％。水蒸气易与SiC基体反应生成气态氢氧化物，导致基体脆化开裂。裂纹一旦贯穿SiC基体，水蒸气和氧气便会趁机沿裂纹向内侵蚀，导致复合材料中起强韧作用的SiC纤维和PyC界面结构发生氧化腐蚀，并最终导致复合材料整体性能的严重衰退。
因此，准确有效预测出高温湿氧环境中SiC/PyC/SiC复合材料内部的腐蚀形貌具有重要的意义，其对于航空发动机热端部件整体力学性能的精确预测具有基础性和决定性的作用。
目前国内外尚没有预测SiC/PyC/SiC复合材料在高温水氧环境下腐蚀形貌的方法，也未见公开的发明专利。其难点在于如何综合考虑高温、水蒸气和氧气多因素的耦合腐蚀作用。文献[Filipuzzi L,Naslain R.Oxidation mechanisms and kinetics of 1D-SiC/C/SiC composite materials:II,modeling[J].Journal of the American CeramicSociety,1994,77(2):467-480.](单向SiC/C/SiC复合材料的氧化机理和氧化动力学)基于SiC纤维/C界面/SiC基体的轴对称结构，建立了单向复合材料内部组分退化程度的预测模型。其不足之处在于：仅考虑了材料两端横截面的氧化作用，未考虑氧化剂通过基体外表面微裂纹对复合材料的侵蚀作用；此外，仅考虑了单一氧化剂氧气对复合材料退化程度的影响，与实际工作环境相差较大。
专利“一种应力水蒸气环境下单向陶瓷基复合材料内部氧化形貌预测方法”(公布号CN110246548A)通过计算SiC/PyC/SiC复合材料内部水蒸气的浓度场，预测了陶瓷基复合材料在纯水蒸气环境下的氧化形貌。其不足之处在于：仅考虑了水蒸气对复合材料腐蚀形貌的影响，与工程实际环境相差较大。
文献[Deal B E,Grove A S.General relationship for the thermaloxidation of silicon[J].Journal of Applied Physics,1965,36(12):3770-3778.](硅热氧化的一般关系)提出了一种纯硅材料氧化退化程度的预测方法，鉴于碳化硅与纯硅在物理结构和化学性质上存在极高的相似性，该方法可用于预测SiC在水蒸气或氧气环境中的氧化层厚度，但不能用于预测复合材料内部的腐蚀形貌。
文献[Cappelen H,Johansen K H,Motzfeldt K.Oxidation of silicon carbidein oxygen and in water vapor at 1500℃[J].Acta Chem.Scand.,Ser.A,1981,35:247-54.](碳化硅在高温湿氧环境中的氧化机理)基于氧化动力学试验提出：碳化硅在湿氧环境下唯一产生的气体产物是CO2，且氧化速率远远大于干氧环境中的氧化速率(如图1所示)。文献[Schiroky G H.Oxidation behavior of chemically vapor-deposited siliconcarbide[J].Advanced Ceramic Materials；(USA),1987,2(2).](碳化硅的氧化行为)基于氧化动力学试验提出：水蒸气通过在氧化层中引入羟基的方式降低氧化层的致密性，从而加快氧气在氧化层内的渗透。文献[Opila E J.Variation of the oxidation rate ofsilicon carbide with water-vapor pressure[J].Journal of the American CeramicSociety,1999,82(3):625-636.](SiC氧化速率随水蒸气分压的变化)研究了湿氧环境中水蒸气分压对SiC氧化速率的影响。这些工作只能解释SiC在高温湿氧环境中的腐蚀机理，均不能用于预测复合材料内部的腐蚀形貌。
因此，有必要提供一种高温湿氧环境中SiC/PyC/SiC复合材料内部腐蚀形貌预测方法。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种高温湿氧环境中SiC/PyC/SiC复合材料内部腐蚀形貌预测方法，该方法基于气体的质量守恒，能够实时预测SiC/PyC/SiC复合材料基体裂纹内部氧化剂浓度、氧化层厚度、界面消耗长度以及气流通道形貌随时间和环境的耦合变化。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种高温湿氧环境中SiC/PyC/SiC复合材料内部腐蚀形貌预测方法，包括以下步骤：
步骤1：通过测量试验获取真实SiC/PyC/SiC复合材料的几何参数；
步骤2：基于周期性假设将真实的SiC/PyC/SiC复合材料简化为含微裂纹的单向复合材料单元；
步骤3：建立湿氧环境中SiC基体、SiC纤维和PyC界面的氧化动力学模型；
所述步骤3中SiC基体和SiC纤维在高温湿氧环境中的氧化腐蚀反应方程式根据Cappelen的研究分别表示为：
SiC+2O2→SiO2+CO2
式中：j表示碳的化学计量数，k表示氧的化学计量数；
所述湿氧环境中SiC纤维和SiC基体表面氧化层厚度与氧化时间的相互关系统一表示为：h2＝Bt
式中，h表示SiC材料氧化后表面形成的氧化层厚度，t表示氧化时间，B表示氧化层厚度增长的抛物线速率常数；
所述抛物线速率常数B表示为：
式中，K表示亨利常数(单位为mol/m3·Pa)，PO2表示环境中的氧气分压力，Ce表示氧气在氧化层内的等效浓度(单位为mol/m3)，N表示单位体积的氧化层中所含的氧分子的摩尔数(单位为mol/m3)，Πo2-scale(H2O)表示湿氧环境中氧气在氧化层中的渗透率，单位为mol/(m·s·Pa)；
所述环境中的氧气分压力根据气体状态方程表示为：PO2＝CoxyRT
式中，R表示气体常数，R＝8.314J/(mol·K)，T表示温度(单位为开尔文)，Coxy表示湿氧环境中的氧气浓度(单位为mol/m3)；
所述湿氧环境中氧气在氧化层中的渗透率根据Oplia的研究表示为：Πo2-scale(H2O)＝Πo2-scale{1+q[PH2O]p}
式中，Πo2-scale表示干氧环境中氧气在氧化层中的渗透率，PH2O表示湿氧环境中的水蒸气分压力，q和p是拟合参数；
所述步骤3湿氧环境中PyC界面的氧化反应表示为：C+O2→CO2
所述PyC界面氧化过程中的质量减小与时间的相互关系表示为：Δm＝kct
式中，Δm表示单位面积PyC界面氧化过程中的质量损失，单位为kg/m2，t表示氧化时间，kc表示PyC界面质量损失的线性速率常数，单位为kg/(m2·s)；
所述PyC界面质量损失的线性速率常数kc表示为：
式中，katm表示PyC在1atm纯氧环境下氧化的线性速率常数，Catm表示1atm纯氧环境下的氧气浓度，n表示PyC氧化的反应指数；
步骤4：基于传质学和氧化动力学建立裂纹通道和界面环形通道内的质量守恒微分方程；
步骤5：建立微分方程的边界条件和连续性条件；
步骤6：采用四阶龙格库塔法与二分法相结合的数值解法求解氧气浓度场和氧气浓度梯度场，进而求出SiC/PyC/SiC复合材料内部的腐蚀形貌。
进一步的，所述步骤1中的几何参数包括：PyC界面层厚度e、SiC纤维体积分数Vf、SiC纤维半径rf0、PyC密度ρc、SiC纤维密度ρf、SiC基体密度ρm、SiC/PyC/SiC复合材料密度ρcom以及SiC/PyC/SiC复合材料表面裂纹开口度Δcrack。
进一步的，所述步骤2中的单向复合材料单元为圆柱形，所述圆柱形由内而外依次包括SiC纤维、PyC界面、SiC基体和外部孔隙层。
进一步的，所述SiC纤维的半径为rf0，由步骤1测量所得；
所述PyC界面为环形，PyC界面的内圈半径与SiC纤维的半径相等，则为rf0；厚度为e，由步骤1测量所得；PyC界面的外圈半径为rm0，表示为：rm0＝rf0+e
所述SiC基体为环形，SiC基体的内圈半径与PyC界面的外圈半径相等，则为rm0，SiC基体的外圈半径为rt；
所述孔隙层为环形，孔隙层的内圈半径与SiC基体的外圈半径相等，则为rt，孔隙层的外圈半径为rcom，
所述rcom表示为：
所述rt表示为：
进一步的，所述步骤4中微裂纹通道内的质量守恒方程为：
所述界面环形通道内的质量守恒方程为：
式中，A1(Coxy)和A2(Coxy)是关于环境中氧气浓度的表达式，π是圆周率，y表示沿基体裂纹深度坐标，z表示沿界面环形通道的深度坐标，hm1表示基体裂纹内壁的氧化层厚度，hm2和hf2表示界面环形通道两侧基体和纤维表面的氧化层厚度；Ωm分别表示SiO2与SiC基体的摩尔体积比；Ωf表示SiO2与SiC纤维的摩尔体积比；D1和D2分别表示氧气在微裂纹和界面环形通道中的扩散系数；CT表示气体的总浓度；α1微裂纹通道中二氧化碳与氧气的摩尔通量比；α2表示界面环形通道中二氧化碳与氧气的摩尔通量比；RO1(Coxy)表示微裂纹两侧壁面对氧气的消耗速率；Rm2(Coxy)和Rf2(Coxy)分别表示界面环形孔洞两侧基体和纤维对氧气的消耗速率；γm和γf分别表示基体和纤维生成1mol氧化层需要消耗氧气的摩尔数；和/>分别表示SiO2的密度和摩尔质量；Nm和Nf分别表示基体和纤维表面单位体积的氧化层中所含的氧分子的摩尔数。
进一步的，所述SiO2与SiC基体的摩尔体积比表示为：
所述SiO2 SiC纤维的摩尔体积比表示为：
式中，Mm和Mf分别表示SiC基体和SiC纤维的摩尔质量。
进一步的，所述步骤5中的边界条件包括2部分：
(1)气体在刚进入裂纹时，有：Coxy(y＝0)＝C0
式中：Coxy(y＝0)表示当沿基体裂纹深度为0时，湿氧环境中的氧气浓度(单位为mol/m3)；C0表示基体裂纹外界环境中的氧气浓度；
(2)在暴露的PyC界面表面(y＝rt-rm0,z＝Lr)，有：
式中，Lr表示界面消耗的长度，β表示消耗1mol PyC需要氧气的摩尔数，Mc表示PyC的摩尔质量。
进一步的，所述步骤5中的连续性条件表示为：
进一步的，所述步骤6中SiC/PyC/SiC复合材料的内部腐蚀形貌通过氧气浓度场和氧气浓度梯度场求得；
裂纹通道内任意氧化时刻t、任意深度y处SiC基体表面的氧化层厚度hm1(y,t)表示为：
式中：hm1(y,t-1)表示上一时刻裂纹通道内任意深度y处SiC基体表面的氧化层厚度；
界面环形通道内任意氧化时刻t、任意位置z处SiC基体表面的氧化层厚度hm2(z,t)表示为：
式中：hm2(z,t-1)表示上一时刻界面环形通道内任意位置z处SiC基体表面的氧化层厚度；
界面环形通道内任意氧化时刻t、任意位置z处SiC纤维表面的氧化层厚度hf2(z,t)表示为：
式中：hf2(z,t-1)表示上一时刻界面环形通道内任意氧化时刻t、任意位置z处SiC纤维表面的氧化层厚度；
PyC界面退化长度与时间的相互关系表示为：
式中，下标zLr表示所处位置在界面环形通道底部，表示氧气在界面环形通道底部的扩散系数，/>表示界面环形通道底部的氧气浓度，/>表示界面环形通道底部二氧化碳与氧气的摩尔通量比，/>表示界面环形通道底部的氧气浓度梯度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明能够预测高温湿氧环境SiC/PyC/SiC复合材料内部任意位置在任意时间的腐蚀形貌，包括SiC纤维和基体的氧化层厚度，PyC界面的氧化退化长度，裂纹和界面环形通道的宽度。此外，还可以预测气流扩散通道愈合的时间，为湿氧环境下SiC/PyC/SiC复合材料整体力学性能的精确预测提供了理论基础。
附图说明
图1为本发明中SiC在湿氧环境中氧化产物的试验数据；
图2为本发明的方法流程图；
图3为本发明步骤2中SiC/PyC/SiC复合材料简化模型示意图；
图4为本发明中湿氧环境沿裂纹侵蚀SiC/PyC/SiC复合材料内部组分的示意图；
图5为本发明得到的裂纹和界面环形通道中氧气浓度分布随时间变化的曲线仿真图；
图6为本发明得到的裂纹通道中氧气浓度分布随时间变化的曲线仿真图；
图7为本发明得到的SiC纤维表面氧化层厚度分布随时间变化的曲线仿真图；
图8为本发明得到的环形界面通道入口处SiC纤维表面氧化层厚度随时间变化的曲线仿真图；
图9为本发明得到的界面氧化后的环形通道宽度随时间变化的曲线仿真图；
图10为本发明得到的PyC界面退化长度随时间和温度变化的曲线仿真图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。
实施例
本发明采用仿真方法验证其正确性，假设SiC/PyC/SiC复合材料所处环境的温度范围为1200～1500℃，水蒸气含量为10％，氧气含量为90％，气体总压强为1atm，外加应力水平为100MPa。
下面详细说明本发明的应用步骤和方法：
如图2所示，一种高温湿氧环境中SiC/PyC/SiC复合材料内部腐蚀形貌预测方法，包括以下步骤：
步骤1：通过测量试验获取真实SiC/PyC/SiC复合材料的几何参数；
所述步骤1中的几何参数包括：PyC界面层厚度e、SiC纤维体积分数Vf、SiC纤维半径rf0、PyC密度ρc、SiC纤维密度ρf、SiC基体密度ρm、SiC/PyC/SiC复合材料密度ρcom以及SiC/PyC/SiC复合材料表面裂纹开口度Δcrack，参数数值如表1所示。
表1测量试验获取参数数值列表
步骤2：基于周期性假设将真实的SiC/PyC/SiC复合材料简化为含微裂纹的单向复合材料单元，如图3所示；
所述步骤2中的单向复合材料单元为圆柱形，所述圆柱形由内而外依次包括SiC纤维、PyC界面、SiC基体和外部孔隙层。
所述SiC纤维的半径为rf0，由步骤1测量所得；
所述PyC界面为环形，PyC界面的内圈半径与SiC纤维的半径相等，则为rf0；厚度为e，由步骤1测量所得；PyC界面的外圈半径为rm0，表示为：rm0＝rf0+e
所述SiC基体为环形，SiC基体的内圈半径与PyC界面的外圈半径相等，则为rm0，SiC基体的外圈半径为rt；
所述孔隙层为环形，孔隙层的内圈半径与SiC基体的外圈半径相等，则为rt，孔隙层的外圈半径为rcom，
所述rcom表示为：
所述rt表示为：
步骤3：建立湿氧环境中SiC基体、SiC纤维和PyC界面的氧化动力学模型；
所述步骤3中SiC基体和SiC纤维在高温湿氧环境中的氧化腐蚀反应方程式根据Cappelen的研究分别表示为：
SiC+2O2→SiO2+CO2
式中：j表示碳的化学计量数，k表示氧的化学计量数；若所用SiC纤维型号为Hi-Nicalon type S，则j＝1.05，k＝0.01。
所述湿氧环境中SiC纤维和SiC基体表面氧化层厚度与氧化时间的相互关系统一表示为：h2＝Bt
式中，h表示SiC材料氧化后表面形成的氧化层厚度，t表示氧化时间，B表示氧化层厚度增长的抛物线速率常数；
所述抛物线速率常数B表示为：
式中，K表示亨利常数(单位为mol/m3·Pa)，PO2表示环境中的氧气分压力，Ce表示氧气在氧化层内的等效浓度(单位为mol/m3)，N表示单位体积的氧化层中所含的氧分子的摩尔数(单位为mol/m3)，Πo2-scale(H2O)表示湿氧环境中氧气在氧化层中的渗透率，单位为mol/(m·s·Pa)；
所述环境中的氧气分压力根据气体状态方程表示为：PO2＝CoxyRT
式中，R表示气体常数，R＝8.314J/(mol·K)，T表示温度(单位为开尔文)，Coxy表示湿氧环境中的氧气浓度(单位为mol/m3)；
所述湿氧环境中氧气在氧化层中的渗透率根据Oplia的研究表示为：∏o2-scale(H2O)＝∏o2-scale{1+q[PH2O]p}
式中，Пo2-scale表示干氧环境中氧气在氧化层中的渗透率，PH2O表示湿氧环境中的水蒸气分压力，q和p是拟合参数；
所述步骤3湿氧环境中PyC界面的氧化反应表示为：C+O2→CO2
所述PyC界面氧化过程中的质量减小与时间的相互关系表示为：Δm＝kct
式中，Δm表示单位面积PyC界面氧化过程中的质量损失，单位为kg/m2，t表示氧化时间，kc表示PyC界面质量损失的线性速率常数，单位为kg/(m2·s)；
所述PyC界面质量损失的线性速率常数kc表示为：
式中，katm表示PyC在1atm纯氧环境下氧化的线性速率常数，Catm表示1atm纯氧环境下的氧气浓度，n表示PyC氧化的反应指数；
SiC和PyC的氧化动力学参数如表2所示。
表2氧化动力学参数列表
步骤4：基于传质学和氧化动力学建立裂纹通道和界面环形通道(如图4所示)内的质量守恒微分方程；
所述步骤4中微裂纹通道内的质量守恒方程为：
所述界面环形通道内的质量守恒方程为：
式中，A1(Coxy)和A2(Coxy)是关于环境中氧气浓度的表达式，π是圆周率，y表示沿基体裂纹深度坐标，z表示沿界面环形通道的深度坐标，hm1表示基体裂纹内壁的氧化层厚度，hm2和hf2表示界面环形通道两侧基体和纤维表面的氧化层厚度；Ωm分别表示SiO2与SiC基体的摩尔体积比；Ωf表示SiO2与SiC纤维的摩尔体积比；D1和D2分别表示氧气在微裂纹和界面环形通道中的扩散系数；CT表示气体的总浓度；α1微裂纹通道中二氧化碳与氧气的摩尔通量比；α2表示界面环形通道中二氧化碳与氧气的摩尔通量比；RO1(Coxy)表示微裂纹两侧壁面对氧气的消耗速率；Rm2(Coxy)和Rf2(Coxy)分别表示界面环形孔洞两侧基体和纤维对氧气的消耗速率；γm和γf分别表示基体和纤维生成1mol氧化层需要消耗氧气的摩尔数；和/>分别表示SiO2的密度和摩尔质量；Nm和Nf分别表示基体和纤维表面单位体积的氧化层中所含的氧分子的摩尔数。
所述SiO2与SiC基体的摩尔体积比表示为：
所述SiO2 SiC纤维的摩尔体积比表示为：
式中，Mm和Mf分别表示SiC基体和SiC纤维的摩尔质量。
步骤5：建立微分方程的边界条件和连续性条件；
所述步骤5中的边界条件包括2部分：
(1)气体在刚进入裂纹时，有：Coxy(y＝0)＝C0
式中：Coxy(y＝0)表示当沿基体裂纹深度为0时，湿氧环境中的氧气浓度(单位为mol/m3)；C0表示基体裂纹外界环境中的氧气浓度；
(2)在暴露的PyC界面表面(y＝rt-rm0,z＝Lr)，有：
式中，Lr表示界面消耗的长度，β表示消耗1mol PyC需要氧气的摩尔数，Mc表示PyC的摩尔质量。
进一步的，所述步骤5中的连续性条件表示为：
步骤6：采用四阶龙格库塔法与二分法相结合的数值解法求解氧气浓度场和氧气浓度梯度场，进而求出SiC/PyC/SiC复合材料内部的腐蚀形貌。
所述步骤6中SiC/PyC/SiC复合材料的内部腐蚀形貌通过氧气浓度场和氧气浓度梯度场求得；
裂纹通道内任意氧化时刻t、任意深度y处SiC基体表面的氧化层厚度hm1(y,t)表示为：
式中：hm1(y,t-1)表示上一时刻裂纹通道内任意深度y处SiC基体表面的氧化层厚度；
界面环形通道内任意氧化时刻t、任意位置z处SiC基体表面的氧化层厚度hm2(z,t)表示为：
式中：hm2(z,t-1)表示上一时刻界面环形通道内任意位置z处SiC基体表面的氧化层厚度；
界面环形通道内任意氧化时刻t、任意位置z处SiC纤维表面的氧化层厚度hf2(z,t)表示为：
式中：hf2(z,t-1)表示上一时刻界面环形通道内任意氧化时刻t、任意位置z处SiC纤维表面的氧化层厚度；
PyC界面退化长度与时间的相互关系表示为：
式中，下标zLr表示所处位置在界面环形通道底部，表示氧气在界面环形通道底部的扩散系数，/>表示界面环形通道底部的氧气浓度，/>表示界面环形通道底部二氧化碳与氧气的摩尔通量比，/>表示界面环形通道底部的氧气浓度梯度。
图5-10为本发明根据上述参数和方程计算得到的氧气浓度分布分布图、SiC纤维表面氧化层厚度分布图、界面环形通道宽度分布图以及界面退化长度与时间的关系图。
图中，Lcom表示SiC/PyC/SiC复合材料的长度，Lcrack表示SiC/PyC/SiC复合材料基体裂纹的深度，hm1表示流道I内氧化层的厚度，流道I为沿SiC基体裂纹，hm2表示流道II内基体氧化层厚度，hf2表示流道II内纤维氧化层厚度，流道II为沿界面环形通道，Lr1，Lr2，Lr3，Lr4分别表示氧化时间5min，10min，15min，20min对应的界面退化长度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，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的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种高温湿氧环境中SiC/PyC/SiC复合材料内部腐蚀形貌预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：通过测量试验获取真实SiC/PyC/SiC复合材料的几何参数；
步骤2：基于周期性假设将真实的SiC/PyC/SiC复合材料简化为含微裂纹的单向复合材料单元；
步骤3：建立湿氧环境中SiC基体、SiC纤维和PyC界面的氧化动力学模型；
所述步骤3中SiC基体和SiC纤维在高温湿氧环境中的氧化腐蚀反应方程式根据Cappelen的研究分别表示为：
SiC+2O2→SiO2+CO2
式中：j表示碳的化学计量数，k表示氧的化学计量数；
所述湿氧环境中SiC纤维和SiC基体表面氧化层厚度与氧化时间的相互关系统一表示为：h2＝Bt
式中，h表示SiC材料氧化后表面形成的氧化层厚度，t表示氧化时间，B表示氧化层厚度增长的抛物线速率常数；
所述抛物线速率常数B表示为：
式中，K表示亨利常数，PO2表示环境中的氧气分压力，Ce表示氧气在氧化层内的等效浓度，N表示单位体积的氧化层中所含的氧分子的摩尔数，Πo2-scale(H2O)表示湿氧环境中氧气在氧化层中的渗透率；
所述环境中的氧气分压力根据气体状态方程表示为：PO2＝CoxyRT
式中，R表示气体常数，T表示温度，Coxy表示湿氧环境中的氧气浓度；
所述湿氧环境中氧气在氧化层中的渗透率根据Oplia的研究表示为：Πo2-scale(H2O)＝Πo2-scale{1+q[PH2O]p}
式中，Πo2-scale表示干氧环境中氧气在氧化层中的渗透率，PH2O表示湿氧环境中的水蒸气分压力，q和p是拟合参数；
所述步骤3湿氧环境中PyC界面的氧化反应表示为：C+O2→CO2
所述PyC界面氧化过程中的质量减小与时间的相互关系表示为：Δm＝kct
式中，Δm表示单位面积PyC界面氧化过程中的质量损失，单位为kg/m2，t表示氧化时间，kc表示PyC界面质量损失的线性速率常数，单位为kg/(m2·s)；
所述PyC界面质量损失的线性速率常数kc表示为：
式中，katm表示PyC在latm纯氧环境下氧化的线性速率常数，Catm表示1atm纯氧环境下的氧气浓度，n表示PyC氧化的反应指数；
步骤4：基于传质学和氧化动力学建立裂纹通道和界面环形通道内的质量守恒微分方程；
步骤5：建立微分方程的边界条件和连续性条件；
步骤6：采用四阶龙格库塔法与二分法相结合的数值解法求解氧气浓度场和氧气浓度梯度场，进而求出SiC/PyC/SiC复合材料内部的腐蚀形貌。
2.根据权利要求1所述的高温湿氧环境中SiC/PyC/SiC复合材料内部腐蚀形貌预测方法，其特征在于，所述步骤1中的几何参数包括：PyC界面层厚度e、SiC纤维体积分数Vf、SiC纤维半径rf0、PyC密度ρc、SiC纤维密度ρf、SiC基体密度ρm、SiC/PyC/SiC复合材料密度ρcom以及SiC/PyC/SiC复合材料表面裂纹开口度Δcrack。
3.根据权利要求2所述的高温湿氧环境中SiC/PyC/SiC复合材料内部腐蚀形貌预测方法，其特征在于，所述步骤2中的单向复合材料单元为圆柱形，所述圆柱形由内而外依次包括SiC纤维、PyC界面、SiC基体和外部孔隙层。
4.根据权利要求3所述的高温湿氧环境中SiC/PyC/SiC复合材料内部腐蚀形貌预测方法，其特征在于，所述SiC纤维的半径为rf0；
所述PyC界面为环形，PyC界面的内圈半径与SiC纤维的半径相等，则为rf0；厚度为e；PyC界面的外国半径为rm0，表示为：rm0＝rf0+e
所述SiC基体为环形，SiC基体的内圈半径与PyC界面的外国半径相等，则为rm0，SiC基体的外国半径为rt；
所述孔隙层为环形，孔隙层的内圈半径与SiC基体的外国半径相等，则为rt，孔隙层的外国半径为rcom，
所述rcom表示为：
所述rt表示为：
5.根据权利要求4所述的高温湿氧环境中SiC/PyC/SiC复合材料内部腐蚀形貌预测方法，其特征在于，所述步骤4中微裂纹通道内的质量守恒方程为：
所述界面环形通道内的质量守恒方程为：
式中，A1(Coxy)和A2(Coxy)是关于环境中氧气浓度的表达式，π是圆周率，y表示沿基体裂纹深度坐标，z表示沿界面环形通道的深度坐标，hm1表示基体裂纹内壁的氧化层厚度，hm2和hf2表示界面环形通道两侧基体和纤维表面的氧化层厚度；Ωm分别表示SiO2与SiC基体的摩尔体积比；Ωf表示SiO2与SiC纤维的摩尔体积比；D1和D2分别表示氧气在微裂纹和界面环形通道中的扩散系数；CT表示气体的总浓度；α1微裂纹通道中二氧化碳与氧气的摩尔通量比；α2表示界面环形通道中二氧化碳与氧气的摩尔通量比；RO1(Coxy)表示微裂纹两侧壁面对氧气的消耗速率；Rm2(Coxy)和Rf2(Coxy)分别表示界面环形孔洞两侧基体和纤维对氧气的消耗速率；γm和γf分别表示基体和纤维生成1mol氧化层需要消耗氧气的摩尔数；和/>分别表示SiO2的密度和摩尔质量；Nm和Nf分别表示基体和纤维表面单位体积的氧化层中所含的氧分子的摩尔数。
6.根据权利要求5所述的高温湿氧环境中SiC/PyC/SiC复合材料内部腐蚀形貌预测方法，其特征在于，所述SiO2与SiC基体的摩尔体积比表示为：
所述SiO2与SiC纤维的摩尔体积比表示为：
式中，Mm和Mf分别表示SiC基体和SiC纤维的摩尔质量。
7.根据权利要求6所述的高温湿氧环境中SiC/PyC/SiC复合材料内部腐蚀形貌预测方法，其特征在于，所述步骤5中的边界条件包括2部分：
(1)气体在刚进入裂纹时，有：Coxy(y＝0)＝C0
式中：Coxy(y＝0)表示当沿基体裂纹深度为0时，湿氧环境中的氧气浓度；C0表示基体裂纹外界环境中的氧气浓度；
(2)在暴露的PyC界面表面y＝rt-rm0，z＝Lr，有：
式中，Lr表示界面消耗的长度，β表示消耗1mol PyC需要氧气的摩尔数，Mc表示PyC的摩尔质量。
8.根据权利要求7所述的高温湿氧环境中SiC/PyC/SiC复合材料内部腐蚀形貌预测方法，其特征在于，所述步骤5中的连续性条件表示为：
9.根据权利要求8所述的高温湿氧环境中SiC/PyC/SiC复合材料内部腐蚀形貌预测方法，其特征在于，所述步骤6中SiC/PyC/SiC复合材料的内部腐蚀形貌通过氧气浓度场和氧气浓度梯度场求得；
裂纹通道内任意氧化时刻t、任意深度y处SiC基体表面的氧化层厚度hm1(y，t)表示为：
式中：hm1(y，t-1)表示上一时刻裂纹通道内任意深度y处SiC基体表面的氧化层厚度；
界面环形通道内任意氧化时刻t、任意位置z处SiC基体表面的氧化层厚度hm2(z，t)表示为：
式中：hm2(z，t-1)表示上一时刻界面环形通道内任意位置z处SiC基体表面的氧化层厚度；
界面环形通道内任意氧化时刻t、任意位置z处SiC纤维表面的氧化层厚度hf2(z，t)表示为：
式中：hf2(z，t-1)表示上一时刻界面环形通道内任意氧化时刻t、任意位置z处SiC纤维表面的氧化层厚度；
PyC界面退化长度与时间的相互关系表示为：
式中，下标zLr表示所处位置在界面环形通道底部，表示氧气在界面环形通道底部的扩散系数，/>表示界面环形通道底部的氧气浓度，/>表示界面环形通道底部二氧化碳与氧气的摩尔通量比，/>表示界面环形通道底部的氧气浓度梯度。
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