层状结构材料Ti3SiC2在高应变率加载下的动态力学响应特性研究

The project intends to study the dynamic mechanical response of nuclear candidate structure materials Ti3SiC2 under high strain rate through experiment and theory calculation. Firstly, we will utilize the particle velocity measurement under shock loading to obtain the dynamic response data (e.g. Hugoniot elastic limit, yield strength, spall strength). Then, we will achieve the microstructure evolution of the shock loaded sample by shock recovery experiment. At last, we will utilize theory analysis to explain the damage mechanism of Ti3SiC2 based on the results of the experiments. The results of this project will help us to build the relationship between microstructure and dynamic response of lamellar materials, and provide reference information for its engineering applications on nuclear energy facility, which is meaningful for the safety of nuclear structural materials under extreme accident condition.

本项目拟通过实验与模拟计算，探索核能关键结构部件候选材料Ti3SiC2在高应变率加载下的动态力学响应特性。利用平面冲击加载产生高应变率，通过对样品自由面粒子速度的直观测量获得材料动态响应参数(雨贡钮弹性极限、屈服强度、层裂强度等)；通过对回收样品的材料学分析获得样品的微结构演化过程；结合实验结果，建立合适的理论模型，通过理论计算对Ti3SiC2在高应变率加载下的损伤机理进行解释。本项目的研究结果有助于建立材料层状微结构与动态力学响应性能间的联系，所获得的数据将为Ti3SiC2陶瓷的在未来核能工程上的应用提供参考，这对于核能关键结构材料在极端事故下的使役安全具有非常重要的参考意义。

以Ti3SiC2为代表的三元层状结构化合物MAX相兼具陶瓷和金属的特性，具有高强度、高模量、高热稳定性、耐腐蚀、抗辐照损伤特性等优点，还有具有与金属一样的导电、导热、耐热冲击等特性，是一种具有重要应用前景的事故容错候选材料。极端条件下反应堆的安全性自福岛核电站事故之后已成为核电站发展所必须考虑的问题。在如恐怖袭击、意外事故导致的爆炸，地震等极端条件下，反应堆材料会经历与常规力学状态完全不同的高应变率加载过程，加载所产生的高温、高压作用可能引起反应堆结构部件材料的物理与力学性质发生显著变化，这直接关系到核能装置的运行安全。因此，核能结构材料在高应变率加载下的材料特性研究对核能安全设计具有非常重要的研究意义。. 目前国内外层状结构陶瓷Ti3SiC2的性能研究还主要集中于静态物性和低应力应变条件下材料特性，而该材料的一个重要潜在应用需要考虑其在高应变率加载下的损伤与变形情况。该材料的动态力学响应特性将会是未来研究的关键，是工程应用的基础问题。而且该材料在极端加载条件下的状态方程和层断裂特性认识不够明确。急需开展相关精密实验以获取相关参数，加深其认识。. 针对以上不足，项目利用平面冲击加载下自由面/界面粒子速度测试等方法，对Ti3SiC2的状态方程进行了系统研究，获取了其在2-118 GPa压力范围内的冲击雨贡纽数据，包括弹性波速度、冲击波速度-粒子速度关系、压力-比容关系等。结果表明，Ti3SiC2在118 GPa压力范围内没有发生相变。同时，项目还对Ti3SiC2在平面冲击加载下的层裂特性展开了系统研究，研究了冲击压力、应变率和组分对Ti3SiC2的层裂特性的影响。发现Ti3SiC2的层裂强度随着冲击压力的增大先增大后减小；并随着样品厚度的增大而减小；受样品致密性和晶粒尺寸的影响，Ti3SiC2和Ti3AlC2具有相同的抗拉伸变形能力，并在实验压力范围内呈现出脆性陶瓷的特征。