计及使役环境的超高温陶瓷材料的抗热震性能及表征方法研究

陶瓷材料的抗热震性能研究一直是高温结构陶瓷领域研究的主要方向。作为超高温领域最有前途的超高温陶瓷材料，由于其使役环境的复杂性，致使其在使役历程中表现出的抗热震性能不再是单纯的材料本身的抗热震性能，迫切需要建立计及使役环境的可以揭示影响超高温陶瓷材料抗热震性能机理的抗热震性能表征方法。本项目采用理论分析、有限元模拟和实验相结合的技术路线，从宏细观相结合的角度，对不同使役环境下超高温陶瓷材料及其结构的热冲击破坏机理进行多学科的交叉研究，建立可计及使役环境影响的适用于超高温陶瓷材料不同使役历程的抗热震性能实验和数值模拟方法及表征模型，在超高温陶瓷材料抗热震性能理论表征方面有所创新。进一步基于微结构分析与控制和多相复合强韧化的思路研究综合提高超高温陶瓷材料在其不同使役历程中的抗热震性能的有效途径；本项目的研究成果可为超高温陶瓷材料在航天飞行器领域的设计、应用及可靠性评价方面提供理论基础和技术储备。

陶瓷材料的抗热震性能研究一直是高温结构陶瓷领域研究的主要方向。作为超高温领域最有前途的超高温陶瓷材料，由于其使役环境的复杂性，致使其在使役历程中表现出的抗热震性能不再是单纯的材料本身的抗热震性能，迫切需要建立计及使役环境的可以揭示影响超高温陶瓷材料抗热震性能机理的抗热震性能表征方法。本项目采用理论分析、实验和有限元模拟相结合的技术路线，从宏细观相结合的角度，按计划全面开展了项目的研究工作，达到了预期的研究目标。基于高温陶瓷材料的热物理性能参数对温度的敏感性及其服役热环境的复杂性，建立了适用于降温、升温以及主动冷却等不同热冲击服役环境的可考虑残余热应力、损伤及其演化等因素影响的抗热震性能热-损伤表征模型，研究了不同热冲击环境、损伤及其演化对其抗热震性能的影响；建立了可考虑外界约束、气动压差以及热环境共同影响的高温陶瓷热防护材料抗热震性能理论与数值模拟模型，系统研究了外界约束、气动压差、热环境等因素对材料抗热震性能的影响，进而从结构设计方面提出了可改善陶瓷热防护材料抗热震性能的措施。建立了适用于不同服役历程的超高温陶瓷材料抗热震性能的表征理论和方法，对三类热边界条件下抗热震性能分别进行了详细研究，并创造性地引入临界传热条件的概念来表征超高温陶瓷材料的抗热震性能。实验研究了不同损伤形式（热震损伤、表面裂纹、划痕等）在不同温度下对脆性材料断裂行为的影响，分析了不同温度下损伤对材料破坏行为的影响规律，为更合理表征不同使役环境下材料的抗热震性能打下了基础。实验研究了冷却介质温度、试件进入冷却介质姿势、热冲击过程中存在的机械冲击及试件尺寸等因素对陶瓷材料抗热冲击行为的影响；提出了一种有效的测试陶瓷材料升温抗热震性能的试验方法并开展了相应实验研究，针对陶瓷材料升温抗热冲击性能提出了一种表征方法。采用实验与数值模拟相结合的方法研究了淬火剩余强度实验过程中试件进入冷却介质姿势对陶瓷材料热冲击行为以及对表征结果的影响。此外，建立了考虑氧化、微裂纹损伤等影响的温度相关性本构模型，并采用UMAT子程序将之应用于有限元数值模拟；进一步研究了氧化损伤对高温陶瓷材料抗热冲击行为及强度的影响。在本项目的资助下，已在包括航空航天领域重要期刊AIAA，陶瓷领域顶级期刊在内的期刊上发表SCI论文34篇，申请专利9项。本项目的研究成果可为超高温陶瓷材料在航天飞行器领域的设计、应用及可靠性评价方面提供理论基础