不同使役环境下第二相增强的超高温陶瓷材料热震损伤行为及其表征方法研究

Due to lack of sufficient knowledge and scientific understanding of the thermal shock damage behaviors under different service environments for ultra-high temperature ceramics (UHTCs) with second phase reinforcement, which can be potentially used as the thermal protection materials of hypersonic aerocraft at present, the development and applications of these materials have been limited. Therefore, in this project, we will study the thermal shock damage behaviors and failure mechanism for UHTCs under different service environments in theory, experiment and numerical simulation from the viewpoint of macro-micro combination systematically. Then, determine the temperature-dependent damage parameter and evolution criterion. And the bi-directional coupled interaction between thermal shock damage and thermal conduction for UHTCs reinforced by second phases will be characterized. Numerical simulation of thermal shock damage behavior of UHTCs which taking the influence of second phases and the bi-directional coupled interaction between thermal shock damage and thermal conduction into account will be proposed. With the consideration of different service environments and second phases, the thermal shock resistance model of UHTCs will be established finally. Therefore, the research works to be carried out in this project will provide theoretical reference to improve the thermal shock resistance of UHTCs with second phase reinforcement based on micro structure optimal design. Also it will offer theory and technical support in development, design and material performance characterization for UHTCs used in aerospace craft.

目前对可能用于高超声速飞行器主要热防护结构的第二相增强超高温陶瓷材料在不同使役环境下的热震损伤行为了解还不够全面，从而制约了此类材料的研发和应用。因此，本项目拟采用实验、理论与数值模拟相结合的方法，从宏细观相结合的角度，系统深入研究第二相增强的超高温陶瓷在不同使役环境下的热震损伤行为与失效机理，建立材料温度相关性损伤参量与演化判据；明确并表征热震损伤及其演化与材料传热性能之间的双向耦合机制；开发考虑温度相关性的宏细观破坏准则、热震损伤演化与传热性能双向耦合作用以及第二相影响的数值模拟技术；并建立计及使役环境且可考虑第二相影响的超高温陶瓷材料抗热震性能理论表征方法。基于材料细观结构优化设计的思想，为提高第二相增强的超高温陶瓷材料在不同使役历程中的抗热震性能提供理论参考，同时也为该类材料在研制、设计及性能表征方面提供理论与技术支撑。

作为超高温领域最有前途的超高温陶瓷材料，其热震损伤行为一直是该领域研究的主要方向。由于其使役环境的复杂性，目前实验和理论手段难以揭示其整个使役过程中的热震损伤行为。本项目针对第二相增强的超高温陶瓷材料和结构陶瓷材料等，通过实验、理论和数值模拟相结合的方法，系统研究了不同使役环境下陶瓷材料的热震损伤失效行为和强度表征方法。鉴于目前最大主应力和最大拉应力等判据在三维复杂应力断裂问题的不足，建立了陶瓷材料的温度相关性临界失效能密度准则，研究了氧化铝陶瓷材料和超高温陶瓷材料的热震损伤行为以及入水姿势对陶瓷材料热震损伤行为的影响；继而将该模型退化到二维情况下，研究了热生长氧化层凸起的热障涂层系统在冷却热震过程中的损伤行为。推导了考虑陶瓷材料穿、沿晶断裂模式变化的温度相关性的临界能量释放率，在此基础上建立了考虑第二相增强颗粒所致损伤以及残余热应力的超高温陶瓷材料的温度相关性强度模型；实验研究了表面损伤氧化锆陶瓷材料强度的影响以及高温下强度对表面损伤的敏感性；并且使用修正后的临界能量释放率对热震损伤后的氧化铝陶瓷材料不同温度下的强度进行了表征，研究了真实热震损伤对材料强度的影响。同时，推导了含有微裂纹缺陷的超高温陶瓷材料的本构模型，实现了温度相关性的热震损伤演化与材料传热性能双向耦合的热震损伤行为数值模拟与评价分析。进一步在该模型中考虑氧化的影响，研究了氧化损伤对材料抗热震性能及强度等力学性能的影响。建立了可以反映添加第二相增韧后材料细观结构信息的Voronoi有限元模型，研究了不同温度下添加不同含量增强相对超高温陶瓷材料弹性模量、热导率和热膨胀系数等重要材料热物理性能参数的影响规律。最后，分析了进入冷却介质姿势对不同几何形状、尺寸的陶瓷材料试件的热冲击实验结果及实验表征陶瓷材料抗热震性能的影响。本项目的研究成果可为陶瓷材料研制、设计、力学性能表征和损伤失效分析提供理论和技术支撑。