高温氧化下编织结构陶瓷基复合材料薄壁构件热响应研究

The ceramic matrix composites have been applied in the thin-wall structure with high temperature in the turbine engine gradually. The internal heat transfer mechanism and the thermal properties of the CMC would be affected by the oxidation under high temperature. Additionally, the traditional homogenization thermal analysis method could not obtain the local fluctuation of the temperature field. So this research focuses on the thermal response of the braided CMC components under high temperature oxidation. Firstly, the oxidation under high temperature will affect the micro-structures, such as the degradation of fiber bundles, the increase of holes and the variation of interfaces. The influence of these variations on the interface thermal resistance, the heat conduction and the thermal radiation will be investigated. The transient heat non-equilibrium state in the oxidation process will also be studied. Then this research focuses on the temperature fields’ fluctuations of the micro-structure in thin-wall components. The introducing method of the fluctuations of microscopic temperature fields into the macroscopic thermal analysis will be build. Finally, the thermal response of the braided CMC components with thin-wall structure will be investigated under high temperature oxidation, and the corresponding thermal response experiment will be carried to validate the accuracy. The works in this program could provide thermal analysis method for the further engineering application of the CMC material on the high temperature components in the turbine engine.

以陶瓷基复合材料在航空发动机高温薄壁部件中的应用为背景，考虑到高温氧化环境对编织结构CMC材料内部热量传输机制及热物性的影响，以及传统均匀化热分析方法难以获得CMC材料高温薄壁构件温度场的局部波动特征。本项目首先针对典型编织结构C/SiC复合材料，从微观尺度出发，探究高温氧化导致的纤维束退化、纤维与基体间缝隙增多以及界面相退化对材料内部界面热阻、热传导及热辐射等热量传输过程的影响机制，并开展氧化过程中材料内部不同组分间热响应差异的研究。然后探究构件薄壁效应下材料微观结构温度场的波动特征及其变化，建立高温氧化下微观结构的温度场波动特征在宏观CMC薄壁构件热分析中的引入方法。最后针对编织结构CMC材料薄壁构件，从宏观尺度出发，开展高温氧化下的热响应研究，并通过热响应试验验证研究中建立热分析方法的精度。本项目工作能够为CMC材料在航空发动机高温部件中的进一步工程应用提供重要的分析方法支撑。

本项目以编织结构CMC材料在航空发动机高温部件中的应用为背景，从高温氧化条件下各向异性导热系数预估、温度场波动特征分析及CMC材料高温薄壁构件热响应分析等多个方面开展研究，探究了高温氧化后纤维与基体间缝隙增大及界面相退化对编织结构CMC材料内部热量传输的影响机制，建立了高温氧化后编织结构CMC材料的导热系数预估模型，同时构建了微观结构温度场和宏观构件温度场之间信息的映射方法，在宏观构件热分析中引入了编织结构温度场波动特征，最后建立考虑高温氧化影响的编织结构CMC材料薄壁构件跨尺度热分析模型。研究结果表明：在细观尺度下，氧化前后材料内部机织结构特征未发生明显变化，但是在微观尺度下，碳纤维丝发生了明显的退化；建立的微观和细观跨尺度热分析模型能够较为准确的预测材料氧化前后的导热系数变化，与实验值相比预测误差最大不超过8%；基于宏观等效温度场和微观温度波动信息局部修正的跨尺度重构方法获取的重构温度温度场，与全尺寸编织结构温度场的平均偏差均不超过1.6K；最终建立的CMC材料薄壁构件跨尺度热分析模型在本文工况下与试验测试结果的平均相对误差不超过1%。相关研究成果能够为CMC材料在航空发动机高温部件中的进一步工程应用提供重要的基础热物性数据和热分析方法支撑。