单向陶瓷基复合材料在应力—氧化环境下的力学性能研究

发布时间：2017-08-11 07:27

  本文关键词：单向陶瓷基复合材料在应力—氧化环境下的力学性能研究

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【摘要】：本文以单向C/SiC复合材料为例,在单向陶瓷基复合材料(UD-CMC)拉伸失效研究的基础上,建立了UD-CMC细观有限元模型,并首次将渐进适应界面层应用到陶瓷基复合材料拉伸失效的模拟当中。应用该模型模拟了单向C/SiC复合材料在轴向拉伸应力作用下的失效过程,并分析了不同纤维体积含量、不同模量对预测的应力-应变曲线的影响。将模拟结果与文献中实验结果及数值法得到的结果进行比较,表明采用渐进适应界面模型对UD-CMC应力作用下的失效与实验更吻合。在无应力氧化环境下UD-CMC力学性能分析的基础上,发展了弱界面粘结的UD-CMC在应力氧化环境下剩余力学性能分析模型,氧化温度为400-900℃。对相关公式进行了推导,并以单向C/SiC复合材料为例进行分析和讨论。由于基体具有脆性,当应力高于基体初始开裂应力时,基体裂纹对陶瓷基复合材料在氧化环境下的力学性能的影响十分重要,如果不考虑应力对材料在氧化环境下力学性能的影响,预测结果与实验值之间的误差随应力的增大将逐渐增大。本论文将不考虑基体开裂和考虑基体开裂的氧化模型得到的剩余强度和剩余刚度与实验数据进行对比,结果表明模型预测结果与实验结果更加吻合。根据文献实验电镜扫描结果,提出了用于分析强界面粘结UD-CMC在氧化环境下力学性能变化的模型。考虑纤维在裂纹附近氧化后产生的“缺口”建立模型,推导了纤维氧化缺口深度的理论公式,并利用该公式,在考虑纤维氧化产生的缺口的情况下,对UD-CMC剩余强度和剩余刚度进行公式推导,以单向C/SiC为例进行分析和讨论,并将理论预测结果同相关实验值进行比较,比较结果发现考虑纤维氧化缺口模型具有更高的精度。并采用有限元法对单向C/SiC复合材料在高温环境下的力学性能进行模拟,分析了不同氧化时间和氧化温度对材料性能的影响,并与实验值进行比较。
【关键词】：单向C/SiC复合材料 失效过程 应力-氧化环境 理论建模 有限元分析 力学性能
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB332
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 注释表10-12
• 缩略词12-13
• 第一章 绪论13-20
• 1.1 选题背景13-14
• 1.2 国内外研究现状14-18
• 1.2.1 陶瓷基复合材料拉伸失效研究现状14-15
• 1.2.2 氧化环境下陶瓷基复合材料性能研究现状15-17
• 1.2.3 界面相对陶瓷基复合材料性能影响的研究现状17-18
• 1.3 本文主要研究工作18-20
• 第二章 弱界面粘结的单向C/SiC复合材料失效模拟20-37
• 2.1 引言20-21
• 2.2 单向C/SiC复合材料组分性能分散性21-22
• 2.2.1 基体强度分布21
• 2.2.2 纤维强度分布21-22
• 2.3 界面模型22-23
• 2.4 单向C/SiC复合材料基体随机开裂模拟23-32
• 2.4.1 最大应力失效准则23
• 2.4.2 单向C/SiC复合材料拉伸失效模拟23-30
• 2.4.3 模拟结果评估30-32
• 2.5 单向C/SiC复合材料裂纹在基体中的扩展模拟32-35
• 2.5.1 临界应变能准则32-33
• 2.5.2 裂纹稳态发展的有限元模拟33-35
• 2.6 本章小结35-37
• 第三章 应力氧化环境下弱界面粘结的UD-CMC力学性能分析37-54
• 3.1 引言37
• 3.2 UD-CMC基体开裂及裂纹宽度分析37-40
• 3.2.1 UD-CMC应力作用下基体开裂37-38
• 3.2.2 裂纹宽度分析38-40
• 3.3 单向C/SiC复合材料氧化机理分析40-43
• 3.3.1 氧化反应控制阶段40
• 3.3.2 氧气扩散控制阶段40-41
• 3.3.3 单向C/SiC复合材料质量失重率分析41-43
• 3.4 应力氧化环境下单向C/SiC复合材料力学性能的变化43-49
• 3.4.1 单向C/SiC复合材料剩余刚度的变化43-46
• 3.4.2 单向C/SiC复合材料剩余强度的变化46-48
• 3.4.3 结果验证48-49
• 3.5 压力影响分析49-52
• 3.5.1 质量失重率的变化50-51
• 3.5.2 剩余刚度的变化51-52
• 3.5.3 剩余强度的变化52
• 3.6 本章小结52-54
• 第四章 应力氧化环境下强界面粘结的UD-CMC力学性能分析54-74
• 4.1 引言54-55
• 4.2 纤维氧化后半径的退化规律55-58
• 4.3 考虑缺口模型UD-CMC氧化后剩余强度分析58-64
• 4.3.1 长裂纹间距考虑纤维氧化缺口剩余强度分析60-62
• 4.3.2 短裂纹间距考虑纤维氧化缺口剩余强度分析62-63
• 4.3.3 剩余强度预测及结果对比63-64
• 4.4 考虑缺口模型UD-CMC氧化后剩余刚度分析64-66
• 4.5 有限元模拟氧化环境下单向C/SiC复合材料的力学性能66-72
• 4.5.1 有限元建模及模拟实例66-70
• 4.5.2 不同氧化条件下单向C/SiC复合材料的性能模拟70-71
• 4.5.3 结果对比及模型评估71-72
• 4.6 本章小结72-74
• 第五章 全文总结74-77
• 5.1 本文主要工作及结论74-75
• 5.2 研究展望75-77
• 参考文献77-81
• 致谢81-82
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文82

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：654873