刘宝瑞 李尧 侯传涛 王建民 张东

陶瓷基复合材料氧化行为与剩余强度数值分析

刘宝瑞1李尧1侯传涛1王建民1张东2

（1 北京强度环境研究所可靠性与环境工程技术重点实验室，北京 100076；2 北京宇航系统工程研究所，北京 100076）

陶瓷基复合材料是当前高速飞行器热结构最广泛使用的材料之一，但在高温环境下长时间使用中面临着不可避免的氧化损伤问题。本文以C/SiC复合材料为对象，基于失重率-时间关系曲线，建立了包含温度和应力影响的氧化扩展速率模型，并提出了一种氧化损伤的刚度退化准则和剩余强度模型。通过编写UMAT子程序，在Abaqus软件框架下实现了陶瓷基复合材料氧化行为和剩余强度的数值分析。通过5个典型算例的计算分析以及与试验数据对比，验证了本文提出的模型和方法的有效性。

陶瓷基复合材料；氧化行为；剩余强度；数值分析

0 引言

以C/SiC为代表的陶瓷基复合材料是一类新型的热结构材料，具有耐高温、高比强、高比模等特点，其长时间使用温度高达1600℃，在先进飞行器等热结构设计中得到大量应用。陶瓷基复合材料具有优良的高温力学性能和化学稳定性，但是在400℃以上，随着O2、H2O等氧化性气体通过微裂纹和孔洞侵入结构内部，将导致C纤维、PyC界面层等发生氧化损伤，使得材料力学性能下降。外部严酷复杂的力热载荷环境会引起表面抗氧化涂层和SiC基体内部的微裂纹、孔洞等缺陷发生扩展演化，导致局部氧化性气体的进入量增加、加快氧化反应过程，严重时可能导致复合材料结构的整体灾难性破坏，已成为陶瓷基复合材料结构长时间使用面临的关键问题。……