陶瓷热冲击裂纹演化与其残余强度内在关联的实验研究

Thermal shock resistance is a key index for ceramics used as high temperature structural materials. The application of ceramics under high-temperature environment directly depends on its thermal shock resistance. It has very important scientific value and broad application prospect to understand the thermal shock damage mechanisms of ceramics and improve the thermal shock resistance. This project focuses on direct experimental observation and analysis on the initiation and evolution of cracks under thermal shock of the typical engineering ceramic Al2O3. The cracks characteristics and residual strength after thermal shock with the variation of the quenching temperature will be clarified. The evolution of thermal shock cracks will be introduced into the evaluation theory of thermal shock. This project will provide a theoretical basis and technical guidance for improving the thermal shock resistance of ceramic materials.

抗热冲击性能是衡量陶瓷材料作为高温工程结构材料的关键指标之一，直接关系到陶瓷优异的高温性能在工程应用中能否得到充分发挥。研究陶瓷材料的热冲击损伤机制以提高其抗热冲击性能，具有重要的学科研究价值和广阔的工业应用前景。本项目以直接实验观测和分析工程典型陶瓷材料Al2O3遭遇热冲击瞬间的裂纹萌生和演化过程为基础和切入点，揭示材料的热冲击损伤机制，阐明陶瓷的热冲击裂纹特征和残余强度随热冲击温度的变化规律，将热冲击裂纹演化特征引入陶瓷材料的抗热冲击评价理论，为提高陶瓷材料的抗热冲击性能提供理论依据和技术指导。

以提高高超声速飞行器关键部位材料的抗热冲击性能为背景，本项目研究了陶瓷热震损伤失效特征及其机理这一基础科学问题。主要结果：实验研究了Al2O3陶瓷条状试样水淬后的裂纹深度、密度、长短分级和分叉等随热震温度的变化规律，澄清了陶瓷热冲击领域关于热震裂纹特征的不确定性问题；实验研究了Al2O3陶瓷板状试样震后网状裂纹随热震温度的变化关系，定量表征了网状裂纹的疏密和粗细变化特征，以期为久已失传的哥窑古瓷釉面裂纹制造工艺的研究提供一定的借鉴；实验研究了不同宽度条/板状Al2O3陶瓷试样的热震裂纹随试样宽度的变化规律，提出了条/板状试样热震裂纹深度尺寸效应的理论预测模型，为基于小尺寸试样实验研究的实验室研究成果用于工程实际提供了思路；制备了不同晶粒尺寸的Al2O3陶瓷材料，研究了晶粒尺寸对陶瓷材料的临界热震温差、热震残余强度和热震裂纹特征的影响机制，为提高陶瓷材料抗热震性能的微结构设计提供了设计思路；建立了陶瓷热震裂纹演化的统计细观损伤模型，模拟了陶瓷薄片水淬条件下的裂纹萌生和扩展过程，模拟结果与实验结果较为吻合，阐明了热震裂纹呈现长短分级且长短间隔分布的形成机制。