陶瓷材料熱震失效機理研究

《陶瓷材料熱震失效機理研究》是依託北京航空航天大學，由蔣持平擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：陶瓷材料熱震失效機理研究
• 依託單位：北京航空航天大學
• 項目負責人：蔣持平
• 項目類別：面上項目

項目摘要

本項目研究工程陶瓷熱震失效機理，包括三個關鍵基礎科學問題。其一發展陶瓷材料抗熱震性能評價理論，闡明抗熱震性能與諸影響因素的關聯規律，並深入探索其中的簡明關係，為解決長期以來困惑人們的Kingery臨界應力斷裂理論和Hasselman熱震損傷理論之間的矛盾做出貢獻。其二發展陶瓷材料熱震相關的高溫物性參數的半逆測量法，針對高溫物性參數的不足和技術上難以精確測量的困難，理論、實驗與計算相結合，通過測量易測的量，數值反演難測的高溫物性參數，為研究提供可靠的基礎數據。其三發展陶瓷材料熱震裂紋模式預報的能量方法，研究能量（包括應變能和斷裂能）與裂紋的間距、深度、長短分級、偏折等的關係，利用最小能量原理髮展數值預報方法，推進熱震剩餘強度的機理研究。本項目將對陶瓷熱震失效機理研究提出新思想、新方法，推進陶瓷材料抗熱震性能評價理論與套用研究，促進固體力學熱力耦合理論的發展。

結題摘要

陶瓷材料具有優異的高溫機械性能、耐化學腐蝕、耐磨損、抗高溫氧化，廣泛套用於各工業部門，特別是高超聲速飛行器熱防護系統、內燃機等極端環境下的耐熱構件，但是陶瓷材料固有的脆性使其易於發生機械損傷和熱震失效。為了充分發揮陶瓷材料的潛力，必須從基礎研究出發闡明其失效機理。本項目通過實驗、理論與數值相結合的研究，取得了系統的成果，圓滿完成計畫目標。 首先開展了陶瓷材料抗熱震性能評價理論的基礎研究，闡明了熱震過程中的溫度場和應力場的非線性變化規律，考察了試件尺寸和形狀，畢渥數、裂紋構型諸因素的影響，考察了多孔陶瓷材料的孔洞輻射對傳熱的影響，為進一步的研究奠定了基礎。 然後開展了系統的實驗研究，主攻方向放在熱震參數（熱震溫度、試件尺寸、幾何形狀等）與裂紋構型（熱震裂紋間距、長度和長度分級等）的定量關聯。為此設計了各種尺寸的薄片陶瓷矩形條和圓形試件，在各種熱震溫度下進行了實驗，獲得了熱震裂紋長度、長度分級與密度隨熱震溫度增加的定量規律，試件形狀和尺寸對裂紋構型影響的定量規律。 接著開展了熱震裂紋構型的數值模擬研究，主攻方向是從以往的定性研究提高到定量預報的水平。注意到過去的研究停留於定性水平的關鍵困難是高溫物性參數的缺乏，特別是對流換熱係數的分散度達一個數量級，並且受實驗技術的制約一時難以解決，本項目發展了有特色的“半逆方法”。利用易測量的裂紋間距，通過數值方法計算難於測量的對流換熱係數，定量預報了熱震裂紋的長度和分級，不同尺寸試件的裂紋構型。所發展的方法對於利用易測量的量，結合理論與數值分析提供實驗難測量的數據方面有重要套用前景。我們發展的是周期數值模型，也與法國同行合作開展了隨機數值模型的研究，發現隨機模型能精細地模擬裂紋途徑的隨機小擾動，同時證實周期模型能抓住周期分級的本質特徵，周期與隨機模型相輔相成。 項目對不同寬度的試件在不同溫度熱震後進行了剩餘強度實驗，顯示剩餘強度隨熱震溫度以及試件尺寸都呈現出平台區行為。然後揭示了兩種平台的形成機理。 本項研究深化了陶瓷材料熱震失效機理研究，推進了定量數值預報，為設計標準試件預報實際構件的熱震性能，為技術陶瓷的研製和套用提供了理論和技術儲備。