本發(fā)明涉及復合材料力學性能測試的技術領域，具體涉及一種提高發(fā)動機熱端構件用陶瓷基復合材料力學性能的纖維排布方式。

背景技術：

由于SiC纖維和SiC基體的熱膨脹系數(shù)差異較大，所以當陶瓷基復合材料SiCf\SiC經(jīng)過制備、熱處理等工藝后，復合材料中將會產(chǎn)生熱殘余應力，不同部位不同方向的熱殘余應力會對復合材料產(chǎn)生不同的影響。陶瓷基復合材料SiCf\SiC的縱向拉伸強度遠大于橫向拉伸強度，但由于陶瓷基復合材料SiCf\SiC在使用過程中會受到偏離縱向的載荷作用，所以如果復合材料的橫向力學性能過低，會導致復合材料在縱向失效未達到指標前，就發(fā)生了橫向的變形甚至開裂。

以往陶瓷基復合材料SiCf\SiC都是采用四方排布、六方排布等纖維排布方式，這些纖維排布方式對提高陶瓷基復合材料SiCf\SiC的力學性能有一定的局限性，材料的橫向力學性能不能達到理想的效果，具體如下表所示。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術中的缺陷，本發(fā)明提供了提高發(fā)動機熱端構件用陶瓷基復合材料力學性能的纖維排布方式，旨在在一定程度上增大陶瓷基復合材料的橫向力學性能，避免因復合材料的橫向力學性能過低而導致的復合材料在縱向失效未達到指標前，復合材料橫向的變形甚至開裂，從而綜合改善陶瓷基復合材料的力學性能。

為解決上述問題，本發(fā)明提供如下技術方案：一種提高發(fā)動機熱端構件用陶瓷基復合材料力學性能的纖維排布方式，所述發(fā)動機熱端構件用陶瓷基復合材料包括：多個在空間中重復排列的纖維結構單元；所述纖維結構單元包括：從上至下共4層，共10條纖維；其中，上2層共5條纖維，呈正三角排列；中間2層共6條纖維，呈四方排列；下2層共5條纖維，呈倒三角排列。

在本發(fā)明的進一步實施方式中，所述三角排列為等邊三角排列。

在本發(fā)明的進一步實施方式中，所述四方排列為正方排列。

在本發(fā)明的進一步實施方式中，所述等邊三角排列的邊長與纖維直徑相等。

在本發(fā)明的進一步實施方式中，所述正方排列的邊長與纖維直徑相等。

在本發(fā)明的進一步實施方式中，所述在空間中重復排列包括：在橫向和縱向均為重復排列。

在本發(fā)明的進一步實施方式中，所述纖維結構單元中纖維的橫截面為均為圓形、正方形或等邊三角形。

在本發(fā)明的進一步實施方式中，所述纖維結構單元中上下兩層纖維的橫截面為圓形，中間兩層纖維的橫截面為正方形。

在本發(fā)明的進一步實施方式中，所述陶瓷基復合材料為SiCf\SiC復合材料。

采用本發(fā)明提供的提高發(fā)動機熱端構件用陶瓷基復合材料力學性能的纖維排布方式，可以增大陶瓷基復合材料的橫向力學性能，避免因復合材料的橫向力學性能過低而導致的復合材料在縱向失效未達到指標前，復合材料橫向的變形甚至開裂，從而綜合改善陶瓷基復合材料的力學性能。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例中的纖維結構單元的二維截面示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例中的三角形排列的二維截面示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例中的四方排列的二維截面示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例中的另一種纖維結構單元的二維截面示意圖；

圖5為本發(fā)明實施例中的纖維結構單元橫向重復排列形成的發(fā)動機熱端構件用陶瓷基復合材料的實施例；

圖6為本發(fā)明實施例中的纖維結構單元縱向重復排列形成的發(fā)動機熱端構件用陶瓷基復合材料的實施例；

圖7為本發(fā)明實施例中的纖維結構單元中上下兩層纖維的橫截面為圓形，中間兩層纖維的橫截面為正方形的實施例的二維截面示意圖；

圖8為本發(fā)明實施例中的選取纖維結構單元的二維截面示意圖1\4作為模型的代表性體元的示意圖；

圖9為本發(fā)明實施例中的采用本發(fā)明提供的纖維排布方式的發(fā)動機熱端構件用陶瓷基復合材料SiCf\SiC的立體模型；

圖10為本發(fā)明實施例中的采用本發(fā)明提供的纖維排布方式的發(fā)動機熱端構件用陶瓷基復合材料SiCf\SiC在纖維和基體交界面處得到的各種應力分布圖；

圖11為本發(fā)明實施例中的四方排布的二維截面示意圖；

圖12為本發(fā)明實施例中的采用四方排布的發(fā)動機熱端構件用陶瓷基復合材料SiCf\SiC在纖維和基體交界面處得到的各種應力分布圖；

圖13為本發(fā)明實施例中的六方排布的二維截面示意圖；

圖14為本發(fā)明實施例中的采用六方排布的發(fā)動機熱端構件用陶瓷基復合材料SiCf\SiC在纖維和基體交界面處得到的各種應力分布圖；

具體實施方式

下面將結合附圖對本發(fā)明技術方案的實施例進行詳細的描述。以下實施例僅用于更加清楚的說明本發(fā)明的技術方案，因此只作為實例，而不能以此來限制本發(fā)明的保護范圍。

本發(fā)明提供一種提高發(fā)動機熱端構件用陶瓷基復合材料力學性能的纖維排布方式，發(fā)動機熱端構件用陶瓷基復合材料包括：多個在空間中重復排列的纖維結構單元；

其中纖維結構單元具體可以包括如下幾種實施例：

實施例一

圖1為本發(fā)明提供的一種纖維結構單元的二維截面示意圖；如圖1所示，纖維結構單元包括：從上至下共4層，共10條纖維；其中，上2層共5條纖維，呈正三角排列；中間2層共6條纖維，呈四方排列；下2層共5條纖維，呈倒三角排列。

其中三角形排列如圖2所示，3條纖維圍合形成一三角形。

四方排列如圖3所示，4條纖維圍合形成一矩形。

其中，三角形排列的3條纖維圍合形成的三角形的邊長大于纖維直徑。

四方排列的4條纖維圍合形成的矩形的邊長大于纖維直徑。

實施例二

圖4為本發(fā)明提供的另一種纖維結構單元的二維截面示意圖；

所述纖維結構單元包括：從上至下共4層，共10條纖維；其中，上2層共5條纖維，呈正等邊三角排列；中間2層共6條纖維，呈正方排列；下2層共5條纖維，呈倒等邊三角排列。當然，除了等邊三角形以外，等腰三角形排列也是可以的；等邊三角形排列，其X方向正應力相比等腰三角形排列更低。(后文將對X方向正應力進行詳細解釋)

其中，三角形排列的3條纖維圍合形成的三角形的邊長等于纖維直徑。

四方排列的4條纖維圍合形成的矩形的邊長等于纖維直徑。

當三角形的邊長等于纖維直徑時，其X方向正應力相比邊長大于纖維直徑時更低。(后文將對X方向正應力進行詳細解釋)

當四方排列的4條纖維圍合形成的矩形的邊長等于纖維直徑時，其X方向正應力相比邊長大于纖維直徑時更低。(后文將對X方向正應力進行詳細解釋)

另外，對于多個纖維結構單元在空間中重復排列方式，也具體存在以下幾種實施方式：

實施例三

如圖5所示，是以實施例一中的纖維結構單元橫向重復排列形成的發(fā)動機熱端構件用陶瓷基復合材料的實施例。

實施例四

如圖6所示，是以實施例一中的纖維結構單元縱向重復排列形成的發(fā)動機熱端構件用陶瓷基復合材料的實施例。

當然，上述兩種實施方式多個纖維結構單元在空間中重復排列方式也可以結合形成一實施例。

另外，對于上述實施例中的纖維橫截面，其中一個實施方式如圖1所示是纖維的橫截面為均為圓形的實施例，另外橫截面均為正方形或等邊三角形也可以；

另一實施方式如圖7所示，纖維結構單元中上下兩層纖維的橫截面為圓形，中間兩層纖維的橫截面為正方形。

當然，纖維結構單元中纖維的橫截面也可以是任意形狀的任意組合，但是圖1實施例中的橫截面，其X方向正應力相比多種截面形狀的隨意組合更低。(后文將對X方向正應力進行詳細解釋)。

而實施例7中的橫截面形狀，則可以達到最低的X方向正應力。(后文將對X方向正應力進行詳細解釋)。

上述實施例中，所述陶瓷基復合材料可以是任意的陶瓷基復合材料，優(yōu)選為SiCf\SiC復合材料，相比其它材料，SiCf\SiC復合材料的X方向正應力更低。

針對本發(fā)明提出的一種提高發(fā)動機熱端構件用陶瓷基復合材料力學性能的纖維排布方式，通過有限元分析軟件ANSYS模擬了采用該纖維排布方式的發(fā)動機熱端構件用陶瓷基復合材料SiCf\SiC的力學性能，具體包括：在有限元分析軟件ANSYS中建立發(fā)動機熱端構件用陶瓷基復合材料SiCf\SiC的整體有限元分析模型；步驟1：設置保存路徑，定義單元；步驟1.1：選擇保存路徑，改Job name和Title name。步驟1.2：定義單元類型為Structural Solid Brick 8node 45。步驟2：定義材料屬性；把SiC纖維和SiC基體都看作線彈性材料，按照下列命令流輸入材料屬性：步驟2.1：輸入/PREP7；分別輸入SiC纖維的相關物理屬性；步驟2.2：輸入MP,alpx,1,0.4e-5，Mp,dens,1,3220，Mp,c,1,700，Mp,kxx,1,400，Mp,ex,1,4.02e11，Mp,prxy,1,0.25；再設置SiC基體的相關物理屬性：步驟2.3：輸入MP,alpx,2,0.82e-5，Mp,dens,1,3220，Mp,c,1,700，Mp,kxx,1,400，Mp,ex,1,4.02e11，Mp,prxy,1,0.23；步驟3：建立模型；按照圖8的方法建立幾何模型；選取1\4作為模型的代表性體元(圖中矩形)，進行有限元分析。假定纖維和基體處于理想粘合狀態(tài)；先畫出圓柱體，再畫出長方體，然后用減法去處重合區(qū)域，使用GLUE粘接兩個部件；模型在Z方向高為1000μm，纖維直徑為100μm；得到的結果如圖9所示，圖9為采用本發(fā)明提供的纖維排布方式的發(fā)動機熱端構件用陶瓷基復合材料SiCf\SiC的立體模型；步驟4：對得到的模型進行網(wǎng)格劃分；對模型進行限制最大單元尺寸為2μm的網(wǎng)格劃分；步驟5：對模型施加對流載荷；按下列步驟輸入命令流進行對流載荷的施加；步驟5.1：輸入命令流：ALLSEL，/S OLU；步驟5.2：設置為瞬態(tài)分析：ANTYPE,4，TRNOPT,FULL，TIMINT,1，STRUCT，TIMINT,1，THERMTIMINT,0，MAG，TIMINT,0,ELECT；步驟5.3:指定瞬態(tài)積分參數(shù)：TINTP,0.005,-1,0.5,0.2；步驟5.4：為載荷步設置時間：TIME,600；步驟5.5：指定步長大?。篋ELTIM,30,10,100；步驟5.6：設置為階躍方式：AUTOTS,ON，KBC,1；步驟5.7：寫入每個子步的內容OUTRES,ALL；步驟5.8：對所有的節(jié)點指定一個均布體載荷：BFUNIF,TEMP,800；步驟5.9：選擇所有外表面：在GUI界面上選擇全部外表面；步驟5.10：設置對流載荷，熱交換系數(shù)，參考溫度：SFA,ALL,1,CONV,62.3,700；步驟6：在邊界上施加位移約束和溫度邊界條件，包括以下步驟：步驟6.1：在垂直于Z軸的下表面和垂直于X軸的后表面施加位移約束為0；步驟6.2：在基體的外表面施加室溫的邊界溫度條件；步驟7：求解；步驟7.1：輸入SOLVE，顯示采用本發(fā)明提供的纖維排布方式的發(fā)動機熱端構件用陶瓷基復合材料SiCf\SiC的力學性能。選取通過最大等效應力的路徑時，采用本發(fā)明提供的纖維排布方式的發(fā)動機熱端構件用陶瓷基復合材料SiCf\SiC在纖維和基體交界面處得到的各種應力分布圖，如圖10所示。

同樣的，通過有限元分析軟件ANSYS模擬采用四方排布的發(fā)動機熱端構件用陶瓷基復合材料SiCf\SiC的力學性能；圖11為本發(fā)明實施例中的四方排布的二維截面示意圖；選取通過最大等效應力的路徑時，采用四方排布的發(fā)動機熱端構件用陶瓷基復合材料SiCf\SiC在纖維和基體交界面處得到的各種應力分布圖，如圖12所示。

通過有限元分析軟件ANSYS模擬采用六方排布的發(fā)動機熱端構件用陶瓷基復合材料SiCf\SiC的力學性能；圖13為本發(fā)明實施例中的六方排布的二維截面示意圖；選取通過最大等效應力的路徑時，采用六方排布的發(fā)動機熱端構件用陶瓷基復合材料SiCf\SiC在纖維和基體交界面處得到的各種應力分布圖，如圖14所示。

在圖10，圖12，圖14中，SX代表X方向的正應力；SY代表Y方向的正應力；SZ代表Z方向的正應力；SXY代表XOY面的切應力；SYZ代表YOZ面的切應力；SZX代表ZOX面的切應力。

如圖10所示，對于采用本發(fā)明提供的纖維排布方式的發(fā)動機熱端構件用陶瓷基復合材料SiCf\SiC來說，存在最大等效應力的路徑時，纖維和基體的交界處的X方向的正應力約為238.8MPa；Y方向的正應力約為65.5MPa的拉應力；Z方向的正應力約為53.4MPa的拉應力；XOY面的切應力約為178.7MPa；YOZ面的切應力約為203.7MPa；ZOX面的切應力約為76.7MPa。由于X、Y方向受到的最大應力為238.8MPa，所以說明涂層兩側有一側受到了238.8MPa的拉應力。切應力的最大值為203.7MPa，說明至少在涂層的一側承受著203.7MPa的切應力。

如圖12所示，對于采用四方排布的發(fā)動機熱端構件用陶瓷基復合材料SiCf\SiC來說，存在最大等效應力的路徑時，纖維和基體的交界處的X方向的正應力約為319.4MPa；Y方向的正應力約為71.2MPa；Z方向的正應力約為142.9MPa；XOY面的切應力約為528.4MPa；YOZ面的切應力約為239MPa；ZOX面的切應力約為142.9MPa。在X、Y方向的正應力最大為319.4MPa，說明至少在涂層的一側承受著319.4MPa的拉壓力。切應力的最大值為528.4MPa，說明至少在涂層的一側承受著528.4MPa的切應力。

如圖14所示，對于采用六方排布的發(fā)動機熱端構件用陶瓷基復合材料SiCf\SiC來說，存在最大等效應力的路徑時，纖維和基體的交界處的X方向的正應力約為268.5MPa；Y方向的正應力約為61.9MPa；Z方向的正應力約為14.2MPa；XOY面的切應力約為409.4MPa；YOZ面的切應力約為341.6MPa和ZOX面的切應力約為222.9MPa。由于X、Y方向受到的最大應力為268.5MPa，所以說明涂層兩側有一側受到了268.5MPa的拉應力。切應力的最大值為409.4MPa，說明至少在涂層的一側承受著409.4MPa的切應力。

將上述三種纖維排布方式的應力值作比較，結果如下表所示：

從表中數(shù)據(jù)可以看出：

當發(fā)動機熱端構件用陶瓷基復合材料SiCf\SiC采用四方排布時：在涂層的一側承受的最大拉應力為319.4MPa，涂層受到的最大切應力為528.4MPa；當發(fā)動機熱端構件用陶瓷基復合材料SiCf\SiC采用六方排布時：涂層在此截面上受到的最大拉應力為268.5MPa，最大切應力為409.4MPa；當發(fā)動機熱端構件用陶瓷基復合材料SiCf\SiC采用本發(fā)明提供的纖維排布方式時：涂層一側受到的最大拉應力為238.8MPa，涂層在此處受到最大切應力為203.7MPa；由上可以看出采用本發(fā)明提供的纖維排布方式的發(fā)動機熱端構件用陶瓷基復合材料SiCf\SiC可以明顯降低涂層界面的切應力，一定程度上降低正應力，橫向的力學性能較其他兩種排布要好，有效地改善了SiC\SiC的橫向力學性能。即：采用本發(fā)明提供的發(fā)動機熱端構件用陶瓷基復合材料，可以在一定程度上增大陶瓷基復合材料的橫向力學性能，避免因復合材料的橫向力學性能過低而導致的復合材料在縱向失效未達到指標前，復合材料橫向的變形甚至開裂，從而綜合改善陶瓷基復合材料的力學性能。

在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術語“中心”、“縱向”、“橫向”、“長度”、“寬度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”“內”、“外”、“順時針”、“逆時針”、“軸向”、“徑向”、“周向”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。

在本說明書的描述中，參考術語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特征、結構、材料或者特點包含于本發(fā)明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不必須針對的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結構、材料或者特點可以在任一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領域的技術人員可以將本說明書中描述的不同實施例或示例以及不同實施例或示例的特征進行結合和組合。

盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發(fā)明的限制，本領域的普通技術人員在本發(fā)明的范圍內可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。