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碳化硅技术详解 - 11 残余压缩应力

日期:2024-02-22 浏览:124

4.5 残余压缩应力

GBSC-CMC 概念专利(2006 年)提出了以下金属加固的标准:

  • • 连续的金属纤维。

  • • 钢丝的热膨胀系数高于陶瓷,以使陶瓷处于残余压缩应力中,从而抵抗裂纹扩展。

  • • 金属纤维的形式有长杆或金属丝、编织金属丝网或焊接金属丝网。

  • • 钢丝或线网不延伸到陶瓷体的边缘,并且陶瓷体是无孔的,以防止钢丝腐蚀。

  • • 金属纤维在陶瓷体中排列成多层。

  • • 各层金属丝网可通过 Z 轴纵向加固筋(也称为 z 型钉)相互连接,以防止击穿。

如图 9 所示。在专利示例中,提供了以下网格配置:

  • • 镀锌钢焊接网,1.4 毫米线径,13 毫米网格间距,每 1.9 毫米瓦片高度一层。

  • • 镀锌钢焊接网 5 毫米厚,25 毫米网格,每 8 毫米瓦片高度一层。


image.png
图9 图 (上图)玻璃结合碳化硅陶瓷金属复合材料(GBSC-CMC)焊接钢网布局示意图的三幅图像,其中包含 Z 形钉箍筋(使用时),并显示 2006 年申请的专利中GBSC-CMC 中网丝的横截面示意图。(下图)GBSC-CMC 受弹道冲击后的 X 射线图像,显示钢丝网布局


关于陶瓷的残余压缩,专利中定义了陶瓷成分的热膨胀系数(α)为 5.8 或 7.6 μm·m·K−1,钢丝网为 11.7。碱石灰玻璃和硼硅酸盐玻璃的玻璃转变温度约520℃。普通钢的弹性模量约为 210 GPa。普通钢的屈服强度因多种因素而变化,但通常约为 250 MPa。根据此,可以计算第一代 GBSC-CMC 中单根钢丝的理论残余应力如下:

应变公式:ε=(α)ΔT
应力公式:σ=Eε

其中 ε 为应变(有时定义为百分比或μm·m-1),α 为 CTE 或热膨胀系数(μm·mK-1),ΔT 为温差(K,对于玻璃转变温度约为520C,这约为500 K),σ 为应力(MPa),E 为杨氏模量(GPa)。

情况 1:陶瓷 CTE 为 5.8 μm·m·K−1

E=500(α-钢-α-陶瓷)
=500(11.7-5.8)
=2950 μm·m<sup>1</sup>或0.00295
σ=Eε
=210×10<sup>9</sup0.00295
=620 MPa

这远高于普通钢的屈服强度。

情况 2:陶瓷 CTE 为 7.6 μm·m·K−1。

E=500(α-钢-α-陶瓷)
=500(11.7-7.6)
=2050 μm·m<sup>-1</sup>或0.00205
σ=Eε
=210×10<sup>9</sup0.00295
=430 MPa

这也远高于普通钢的屈服强度。

因此,无论陶瓷基体的热膨胀系数如何,低碳钢网在冷却时都将处于屈服强度的残余拉伸应力状态。第一代、第二代、第三代和第四代 GBSC-CMC 都是这种情况。在此基础上,根据网片所用钢材的屈服强度,以及嵌入陶瓷中的网片阵列所代表的钢材横截面积,就可以简单地计算出 GBSC-CMC 陶瓷片中的残余压应变。如果使用 Z 型销钉箍筋,也可以采用同样的方法。

虽然2006年的第一代GBSC-CMC概念专利只提供了低技术含量的32%玻璃GBSC-CMC的例子,但第三代GBSC-CMC在网格布局或陶瓷热膨胀系数方面与第一代GBSC-CMC并无显著差异。在第三代GBSC-CMC中,玻璃、玻璃-陶瓷相互作用和成型方法的微调有着很大的实质性不同。表2列出了GBSC-CMC弹道瓷砖的残余矩阵压缩约束的一些指示值。

表2 不同尺寸和钢网含量的 12 毫米 GBSC- CMC 瓷砖的陶瓷侧向残余压应力(以 公吨为单位)。


image.png
表8.2.png



碳化硅产业大群-小图 - 副本.jpg

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