超高溫陶瓷材料抗熱震機(jī)制與評(píng)價(jià)理論研究

本項(xiàng)目以高超聲速服役環(huán)境對(duì)材料的耐溫極限和抗熱震性能、高溫氧化和復(fù)雜載荷條件下的高溫強(qiáng)韌化提出的苛刻要求，開(kāi)展二元和三元ZrB2和HfB2基復(fù)合陶瓷體系材料的抗熱震性能的理論與實(shí)驗(yàn)研究。重點(diǎn)研究在高溫環(huán)境下，材料性能測(cè)量的宏、細(xì)、微觀實(shí)驗(yàn)方法，通過(guò)等離子體電弧加熱器的吹風(fēng)試驗(yàn)，測(cè)試材料抗熱震損傷能力，找到影響材料熱沖擊抗力的主要控制因素，建立合理的熱沖擊抗力表征參數(shù)。分析微裂紋缺陷以及微結(jié)構(gòu)組織變化對(duì)材料抗熱沖擊、高溫強(qiáng)度以及斷裂韌性的影響規(guī)律，基于材料微結(jié)構(gòu)特征參量的分析，建立熱/力耦合條件下防熱材料的熱沖擊損傷分析模型和演化動(dòng)力學(xué)方程。通過(guò)多虛擬裂紋擴(kuò)展技術(shù)和多尺度算法模擬超高溫材料的破裂與損傷臨界行為，給出超高溫材料高溫?fù)p毀判據(jù)，為實(shí)現(xiàn)超高溫陶瓷材料高溫強(qiáng)韌化機(jī)制和途徑提供理論基礎(chǔ)。

改善陶瓷材料的抗熱震性能歷來(lái)就是陶瓷材料研究的重大課題之一，而正確評(píng)價(jià)陶瓷材料的抗熱震性能是進(jìn)行這一重大課題研究的基礎(chǔ)。目前對(duì)于抗熱震性雖然有一定的理論解釋?zhuān)胁煌晟?，還未能建立反映實(shí)際材料在各種使用工況下的抗熱震性能的數(shù)學(xué)模型。因此，根據(jù)我國(guó)發(fā)展航天飛行器的背景需求，開(kāi)展超高溫陶瓷材料抗熱震性能的研究具有重要的理論意義和工程應(yīng)用背景?；诔邷靥沾刹牧闲阅軈?shù)對(duì)溫度的敏感性及航天飛行器表面熱環(huán)境的復(fù)雜性，本項(xiàng)目通過(guò)引入環(huán)境因素和時(shí)間變量，在理論、實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，研究影響超高溫陶瓷材料抗熱震性能的各種因素、高溫?fù)p毀機(jī)理及演化規(guī)律，建立可考慮熱環(huán)境影響的適用于超高溫陶瓷材料的抗熱震性能評(píng)價(jià)理論，為抗熱震性能的表征提供一種探索性的方法，并為提高抗熱震性能提供可能的途徑。同時(shí)，通過(guò)本項(xiàng)目的研究也可為超高溫陶瓷材料在航天飛行器領(lǐng)域的設(shè)計(jì)、應(yīng)用及可靠性評(píng)價(jià)方面提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)儲(chǔ)備。

熱抗震性試驗(yàn)是評(píng)價(jià)試樣經(jīng)受1次或多次溫度急劇變化的損傷程度。表征抗熱震性，需要兩個(gè)要素：試樣經(jīng)受的熱循環(huán)和評(píng)價(jià)其熱震損傷程度所用的方法。試樣經(jīng)受的每一熱循環(huán)，包括兩個(gè)階段。在第1個(gè)階段，整個(gè)試樣或只其1部分（例如一個(gè)面）加熱到初始溫度T_i。在此加熱期間，加熱速率不導(dǎo)致過(guò)大的應(yīng)力。熱震是在由初始溫度T_i迅速變?yōu)樽罱K溫度Tf的第2個(gè)階段完成的。如Ti>Tf，熱震由冷卻完成； 如T_i f，熱震由加熱完成。在熱震由冷卻完成的情況下，試樣首先在預(yù)熱爐中被加熱到初始溫度T _i，并保持10～30min。最終溫度T _f，通過(guò)迅速將試樣移至低溫爐中達(dá)到，或者通過(guò)在室溫環(huán)境中自然冷卻達(dá)到，或者通過(guò)鼓風(fēng)冷卻達(dá)到，或者通過(guò)在T _f溫度下的水?。ɑ蚱渌。┲写憷溥_(dá)到。在熱震由加熱完成的情況下，試樣溫度由T _i迅速變?yōu)門(mén) _f，可將試樣移至高溫爐實(shí)現(xiàn)。評(píng)價(jià)熱震損傷程度所用的方法，通常是測(cè)量熱震后試樣的保持強(qiáng)度。但強(qiáng)度這一參數(shù)的統(tǒng)計(jì)偏差較大。其他評(píng)價(jià)方法有外觀檢查、質(zhì)量損失、彈性模量變化、聲發(fā)射等。

標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法如下：

（1）中國(guó)的直形磚水淬冷法（YB 376）。直形磚（ （200～230mm） × （100～150mm） × （50～100mm）） 的受熱端面伸入到預(yù)熱至1100℃的爐內(nèi)50mm，保持20min，接著在室溫水中淬冷3min，然后干燥。用受熱端面破損一半的熱循環(huán)次數(shù)表征其抗熱震性。

（2）中國(guó)的長(zhǎng)條試樣試驗(yàn)法（YB 4018）。長(zhǎng)條試樣 （230mm×114mm×31mm或230mm×65mm×31mm）以一個(gè)面（230mm×31mm）為受熱面，在均熱板上自室溫以規(guī)定的速率加熱至1000℃，保持30min，然后置于空氣中淬冷。以熱震前、后抗折強(qiáng)度變化百分率評(píng)價(jià)其損傷程度。

（3）美國(guó)的鑲板試驗(yàn)法（ASTMC38）。試驗(yàn)磚疊砌成的邊長(zhǎng)不小于460mm的正方形鑲板，預(yù)熱24h，冷卻，然后按要求的次數(shù)在爐子和噴水霧的鼓風(fēng)機(jī)之間經(jīng)受熱循環(huán)，以質(zhì)量損失與外觀檢查評(píng)價(jià)其熱震損傷程度。

（4）美國(guó)的長(zhǎng)條試樣試驗(yàn)法（ASTM C1100）。長(zhǎng)條試樣（長(zhǎng)度為228mm的直磚、薄片磚、條等）橫跨燃?xì)鉄臁狞c(diǎn)火開(kāi)始，加熱15min，熱面溫度為816～1093℃，然后關(guān)閉燃?xì)猓ㄟ^(guò)燒嘴鼓風(fēng)冷卻15min。循環(huán)5次。以試樣熱震前后的彈性模量、聲速或抗折強(qiáng)度變化百分率，評(píng)價(jià)其損傷程度。

（5）歐洲耐火材料生產(chǎn)者聯(lián)合會(huì)的圓柱體試樣水淬冷法 （PRE/R5-1）。圓柱體試樣 （直徑50mm，高50mm）于950℃爐中加熱15min，接著在室溫水中淬冷3min，之后干燥。用導(dǎo)致斷裂的熱循環(huán)次數(shù)表征其抗熱震性。

（6）歐洲耐火材料生產(chǎn)者聯(lián)合會(huì)的棱柱體試樣空氣淬冷法（PRE/R5-2）。棱柱體試樣（114mm×64mm×64mm） 加熱至950℃，保持45min，然后置于鐵板上，用一股壓縮空氣噴射5min，之后經(jīng)受0.3MPa的彎曲應(yīng)力，當(dāng)試樣斷裂時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束，否則，重復(fù)熱循環(huán)，直至斷裂或30次為止。

（7） 英國(guó)的小棱柱體試樣試驗(yàn)法 （BS1902：5.11）。小棱柱體試樣（75mm×50mm×50mm）置于冷爐內(nèi)，以恒定的速率加熱到450℃（硅磚）或1000℃或1200℃（其他材料），在該溫度下保持30min，之后經(jīng)受空氣冷卻和加熱循環(huán)，每次20min。每一循環(huán)后，經(jīng)受固定的彎曲應(yīng)力，循環(huán)重復(fù)至斷裂或30次為止。