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氧化环境下陶瓷基复合材料力学性能研究

作　者: 王振剑
导　师: 孙志刚
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 航空宇航推进理论与工程
关键词: 陶瓷基复合材料氧化刚度强度应力
分类号: TB332
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

陶瓷基复合材料是一种耐高温、耐磨损、低密度的高性能新型材料,在航空、航天、兵器、能源等领域具有广阔的应用前景。开展氧化环境下陶瓷基复合材料的力学性能研究对推动陶瓷基复合材料的工程应用具有重要意义。本文对单向连续纤维增强陶瓷基复合材料在氧化环境中的力学性能进行了研究。采用质量损失率模型表征400-900℃下的氧化情况,采用剪滞模型、蒙特卡罗模拟和纤维随机失效统计模型对C/SiC复合材料的力学性能进行了分析,建立了预测400℃~900℃温度下氧化环境下剩余刚度和剩余强度的细观力学方法,分析了应力氧化下剩余强度的影响因素。C/SiC陶瓷基复合材料在裂纹愈合温度以下存在氧化控制和扩散控制两种氧化机制,本文分别对上述两种机制下的无应力、应力作用下的氧化剩余强度进行了预测,分析了氧化对剩余强度的影响,预测了一定温度下的氧化剩余刚度和剩余强度。通过实验的方法研究了高温650℃和800℃空气环境下无应力氧化力学性能和高温650℃空气环境下应力氧化行为,对比理论分析方法和实验结果发现:预测值与实验结果基本吻合。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-12
第一章绪论  12-18
  1.1 选题背景  12-13
  1.2 国内外研究现状  13-16
    1.2.1 氧化试验和机理的研究  13-15
    1.2.2 氧化损伤以及模型研究  15
    1.2.3 陶瓷基复合材料力学性能研究现状  15-16
  1.3 本文的研究内容  16-18
第二章氧化条件下 C/SiC 复合材料动力学机理  18-35
  2.1 引言  18
  2.2 氧化动力学机理分析  18-25
    2.2.1 C/SiC 的氧化机理  18-19
    2.2.2 碳氧反应控制复合材料的氧化动力学  19-21
    2.2.3 氧气扩散控制复合材料的氧化动力学  21-25
  2.3 陶瓷基复合材料的力学性能研究的基础理论  25-32
    2.3.1 基础的BHE 剪滞理论  25-27
    2.3.2 基体随机开裂模型  27-28
    2.3.3 Curtin 的纤维失效准则  28-32
  2.4 氧化条件下陶瓷基复合材料损失破坏机理分析  32-33
    2.4.1 氧化作用下的基体开裂  32-33
    2.4.2 氧化作用下的界面脱粘  33
    2.4.3 氧化作用下的纤维失效  33
  2.5 小结  33-35
第三章氧化条件下 C/SiC 复合材料损伤模型  35-49
  3.1 引言  35
  3.2 氧化条件下纤维体积含量的变化  35
  3.3 界面剪应力和纤维半径的影响  35-36
  3.4 无应力氧化条件下的刚度分析  36-37
  3.5 无应力氧化条件下的剩余强度分析  37-44
    3.5.1 400-700℃下的剩余强度分析  38-41
      3.5.1.1 不考虑基体裂纹时氧化对强度的影响  39
      3.5.1.2 考虑单基体裂纹时氧化对强度的影响  39
      3.5.1.3 考虑多基体裂纹时氧化对强度的影响  39-41
    3.5.2 700-900℃下的剩余强度分析  41-42
      3.5.2.1 不考虑基体裂纹时氧化对强度的影响  41
      3.5.2.2 考虑单基体裂纹时氧化对强度的影响  41-42
      3.5.2.3 考虑多基体裂纹时氧化对强度的影响  42
    3.5.3 纤维体积含量变化对剩余强度的影响  42-44
  3.6 应力作用下的剩余强度分析  44-47
    3.6.1 应力和温度与微裂纹的关系  45-46
    3.6.2 有效反应面积的变化  46
    3.6.3 应力作用下的剩余强度预测  46-47
  3.7 小结  47-49
第四章 C/SiC 复合材料氧化力学性能实验研究  49-59
  4.1 引言  49
  4.2 试样制备和加工  49
  4.3 实验仪器和设备  49-50
  4.4 实验步骤和过程  50-51
  4.5 实验结果与分析  51-57
    4.5.1 650℃下的无应力氧化  51-52
    4.5.2 800℃下的无应力氧化  52-54
    4.5.3 650℃温度下应力氧化  54-57
  4.6 本章总结  57-59
第五章全文总结和研究展望  59-61
  5.1 总结  59-60
  5.2 展望  60-61
参考文献  61-65
致谢  65-66
在学期间的研究成果及发表的学术论文  66

氧化环境下陶瓷基复合材料力学性能研究

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