超高溫陶瓷材料抗熱震機制與評價理論研究項目摘要

本項目以高超聲速服役環(huán)境對材料的耐溫極限和抗熱震性能、高溫氧化和復雜載荷條件下的高溫強韌化提出的苛刻要求，開展二元和三元ZrB2和HfB2基復合陶瓷體系材料的抗熱震性能的理論與實驗研究。重點研究在高溫環(huán)境下，材料性能測量的宏、細、微觀實驗方法，通過等離子體電弧加熱器的吹風試驗，測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)組織變化對材料抗熱沖擊、高溫強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力學方程。通過多虛擬裂紋擴展技術(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損毀判據(jù)，為實現(xiàn)超高溫陶瓷材料高溫強韌化機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就是陶瓷材料研究的重大課題之一，而正確評價陶瓷材料的抗熱震性能是進行這一重大課題研究的基礎(chǔ)。目前對于抗熱震性雖然有一定的理論解釋，但尚不完善，還未能建立反映實際材料在各種使用工況下的抗熱震性能的數(shù)學模型。因此，根據(jù)我國發(fā)展航天飛行器的背景需求，開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。基于超高溫陶瓷材料性能參數(shù)對溫度的敏感性及航天飛行器表面熱環(huán)境的復雜性，本項目通過引入環(huán)境因素和時間變量，在理論、實驗和數(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、高溫損毀機理及演化規(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價理論，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，通過本項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、應(yīng)用及可靠性評價方面提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)儲備。

熱抗震性試驗是評價試樣經(jīng)受1次或多次溫度急劇變化的損傷程度。表征抗熱震性，需要兩個要素：試樣經(jīng)受的熱循環(huán)和評價其熱震損傷程度所用的方法。試樣經(jīng)受的每一熱循環(huán)，包括兩個階段。在第1個階段，整個試樣或只其1部分（例如一個面）加熱到初始溫度T_i。在此加熱期間，加熱速率不導致過大的應(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，通過迅速將試樣移至低溫爐中達到，或者通過在室溫環(huán)境中自然冷卻達到，或者通過鼓風冷卻達到，或者通過在T _f溫度下的水浴（或其他?。┲写憷溥_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 _f，可將試樣移至高溫爐實現(xiàn)。評價熱震損傷程度所用的方法，通常是測量熱震后試樣的保持強度。但強度這一參數(shù)的統(tǒng)計偏差較大。其他評價方法有外觀檢查、質(zhì)量損失、彈性模量變化、聲發(fā)射等。

標準試驗方法如下：

（1）中國的直形磚水淬冷法（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）中國的長條試樣試驗法（YB 4018）。長條試樣 （230mm×114mm×31mm或230mm×65mm×31mm）以一個面（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、后抗折強度變化百分率評價其損傷程度。

（3）美國的鑲板試驗法（ASTMC38）。試驗磚疊砌成的邊長不小于460mm的正方形鑲板，預熱24h，冷卻，然后按要求的次數(shù)在爐子和噴水霧的鼓風機之間經(jīng)受熱循環(huán)，以質(zhì)量損失與外觀檢查評價其熱震損傷程度。

（4）美國的長條試樣試驗法（ASTM C1100）。長條試樣（長度為228mm的直磚、薄片磚、條等）橫跨燃氣燒嘴。從點火開始，加熱15min，熱面溫度為816～1093℃，然后關(guān)閉燃氣，通過燒嘴鼓風冷卻15min。循環(huán)5次。以試樣熱震前后的彈性模量、聲速或抗折強度變化百分率，評價其損傷程度。

（5）歐洲耐火材料生產(chǎn)者聯(lián)合會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，當試樣斷裂時，試驗結(jié)束，否則，重復熱循環(huán)，直至斷裂或30次為止。

（7） 英國的小棱柱體試樣試驗法 （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)重復至斷裂或30次為止。