《高溫熱衝擊下陶瓷材料的動態裂紋擴展與失效機理》是依託清華大學，由夏彪擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：高溫熱衝擊下陶瓷材料的動態裂紋擴展與失效機理
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：夏彪
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
陶瓷因具有高熔點、耐腐蝕、耐磨損和高溫穩定性等優點而成為航空航天領域最具前景的候選材料之一。但是陶瓷本徵脆性，在高溫極端環境下，易發生熱衝擊失效並導致結構發生突發的災難性事故。本項目以航空航天工業中的耐高溫陶瓷材料為研究對象，以動態裂紋擴展機理為研究著力點，通過發展高溫環境下變形場、溫度場的動態線上同步測量方法，探索極端環境下材料受到局部高速熱衝擊時的動態裂紋擴展規律和破壞形式。在此基礎上，結合理論和數值計算方法，分析高溫複雜環境下陶瓷材料的應力場、熱力耦合機制及裂紋路徑選擇，從理論上構建溫度與動態裂紋擴展幾何形態的關係，提出不同溫度條件下的整體失效判據，實現材料在極端環境下的抗熱衝擊性能的評估，為航空航天工業相關材料的設計和製造提供基礎理論。
結題摘要
陶瓷因具有高熔點、耐腐蝕、耐磨損和高溫穩定性等優點而成為航空航天領域最具前景的候選材料之一。本項目以航空航天工業中的耐高溫陶瓷材料為研究對象，通過發展高溫環境下變形場、溫度場的動態線上同步測量技術，結合理論和數值計算方法，探索了極端環境下材料受到局部高速熱衝擊時的動態裂紋擴展規律和破壞形式，從而對材料在極端環境下的抗熱衝擊性能進行了評估。在具體研究的過程中，通過試製溫度場、變形場同步測量平台和氣動光學校正平台等高溫力學測量平台，基於數字梯度感測法在測量中實現了去除空氣擾動的效果；通過基於陶瓷燒結的散斑製作方法和基於特徵點的高溫變形測量方法，並開發了一種用於超高速流動中的原位觀測和測量的光電系統，獲得了更準確的結果；通過發展通過微結構、止裂塊等調控試件抗熱衝擊性的方法，對傳統的氧化鋁陶瓷材料使用金屬有機框架的納米結構保形塗層，實現了材料抗熱衝擊性能的增強；通過發展基於等效夾雜理論和經典斷裂力學的理論分析方法、模擬巨觀動態裂紋擴展的有效XFEM方法，結合熱衝擊下裂紋的動態擴展特殊規律和破壞形式，探索適合高速熱衝擊的溫度相關的裂紋擴展機制、失效判據和斷裂理論，對材料在極端環境下的抗熱衝擊性能進行評估；此外，在項目研究基礎上進行了合理拓展，針對抗熱衝擊性能較好（高溫環境下難以發生熱衝擊斷裂）的材料，開展了持續熱衝擊下的氧化燒蝕機制和形貌演化的研究，包括高溫熱燒蝕過程中SiC材料的表面形貌原位實時測試及演化機制分析、高溫燒蝕環境下的C/SiC複合材料的特徵結構的形成機制、高溫氣流平板燒蝕的原位可視化測量等。
