C/C-SiC復(fù)合材料的氧化行為與等效彈性性能計(jì)算模型研究①

汪海濱，楊小鋒，楊緒印，屈轉(zhuǎn)利

(1.中國(guó)航天科技集團(tuán)公司四院41所，西安 710025;2.中國(guó)航天科技集團(tuán)公司四院401所，西安 710025)

0 引言

炭纖維增韌的碳化硅陶瓷基復(fù)合材料(C/C－SiC)具有低密度、高強(qiáng)度、耐高溫等一系列優(yōu)越性能，已經(jīng)成為高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、近地空間飛行器不可缺少的結(jié)構(gòu)材料［1－2］。然而，C/C－SiC 在高溫環(huán)境下的氧化失效，嚴(yán)重影響了C/C－SiC使用過程中的力學(xué)性能。因此，深入了解其氧化機(jī)理，對(duì)C/C－SiC復(fù)合材料的設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有重要指導(dǎo)意義。目前，對(duì)C/CSiC氧化機(jī)理的研究主要集中于基礎(chǔ)性的實(shí)驗(yàn)?zāi)M，并在此基礎(chǔ)上提出一些相應(yīng)的物理模型。Bacos M P等［3－5］建立了C/C復(fù)合材料的氧化模型，考慮了物質(zhì)傳遞、化學(xué)反應(yīng)及其交互作用對(duì)C/C內(nèi)部C相氧化造成的影響。Lamourous F 等［6－7］對(duì) 2D－C/SiC 復(fù)合材料的氧化機(jī)理進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和理論推導(dǎo)，提出了2D C/SiC 氧化模型。Naslain R 等［8］不僅對(duì)1D－SiC/C/SiC和2D－C/C/SiC復(fù)合材料的氧化機(jī)理進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，而且對(duì)材料組元分別進(jìn)行了氧化實(shí)驗(yàn)。此外，成來飛等［8－9］對(duì)C/SiC復(fù)合材料的環(huán)境性能進(jìn)行了長(zhǎng)期研究，獲得了多種高溫環(huán)境下C/SiC的氧化機(jī)理。

綜上所述，目前的研究集中于通過實(shí)驗(yàn)探求C/SiC的氧化機(jī)理;采用理論或?qū)嶒?yàn)方法建立C/SiC的氧化動(dòng)力學(xué)方程，一般以質(zhì)量變化率來表征材料的氧化程度;通過實(shí)驗(yàn)研究氧化作用對(duì)C/SiC的力學(xué)性能(模量、強(qiáng)度)的影響。尚未有研究者從數(shù)值模擬的角度建立氧化作用與C/SiC力學(xué)性能的表征關(guān)系。C/C－SiC在環(huán)境中的相對(duì)質(zhì)量變化和彈性常數(shù)是其環(huán)境性能的重要表征量。其在高溫氧化環(huán)境下的演變是由多種因素造成的，僅利用實(shí)驗(yàn)測(cè)量確定質(zhì)量變化和彈性常數(shù)的演變，需較長(zhǎng)的周期和較高的實(shí)驗(yàn)耗費(fèi)?！?br>