陶瓷材料界面高温服役性能研究和界面抗疲劳特征

陶瓷常常通过粘结或焊接与其它陶瓷和金属相连后在高温氧化环境下使用，界面失效是引发部件灾难性事故的重要原因。针对陶瓷界面高温服役性能数据严重匮乏且缺乏有效的界面评价技术，在充分预研的基础上，提出用十字交叉法研究1500度以下高温区的陶瓷界面服役性能，包括界面拉伸和剪切强度、界面拉伸和剪切疲劳、界面能量耗散能力等。技术创新点是通过一个单向压缩载荷在试样粘结面上产生均匀拉应力或剪应力，并避免了弯曲应力的不利影响。建立脆-脆、脆-韧界面结合力学模型和疲劳寿命预测模型；设计高温夹具，研究高温界面应力分布，开发高温声发射实时监控技术识别界面裂纹扩展并研究其损伤演变过程；研究温度和升温速率、界面类型和尺寸、粘结方式、加载速率和氧化等对界面强度和界面疲劳性能的影响，探讨界面能耗和界面失效机理。最终解决陶瓷高温界面服役性能评价和界面结合优劣评估的技术难题，为陶瓷粘结复合件的结构设计及安全性评估提供手段。

陶瓷常常通过粘结或焊接与其它陶瓷和金属相连后在高温氧化环境下使用，界面失效是引发部件灾难性事故的重要原因。提出用十字交叉法研究1500度以下高温区的陶瓷界面服役性能。研究内容包括：建立脆-脆、脆-韧界面结合力学模型和疲劳寿命预测模型；设计高温夹具，研究高温界面应力分布，开发高温声发射实时监控技术识别界面裂纹扩展并研究其损伤演变过程；研究温度和升温速率、界面类型和尺寸、粘结方式、加载速率和氧化等对界面强度和界面疲劳性能的影响，探讨界面能耗和界面失效机理。所取得的重要结果如下：(1) 完善了十字交叉法测试高温界面中对试样尺寸、粘结层厚度、粘结方式和测试步骤的规范，设计了相关的室温和高温夹具并作了相应的尺寸规定，制定国际标准ISO 17095《陶瓷材料高温界面粘结强度试验方法》；(2) 形成了一台高温界面力学性能试验装置样机，利用声发射监控界面损伤，可测量常温-1400度范围内高温界面粘结强度和界面吸收能；(3) 探索了氧化工艺焊接Ti3SiC2-Al2O3的新技术，利用试验样机测量常温-1000℃范围内Ti3SiC2-Al2O3的应力松弛，获取了脆性界面的应力弛豫变形规律。对脆性界面来说，界面剪切强度通常比界面拉伸强度高，界面断裂时呈现断裂应变小，无屈服阶段，断裂吸收能低。其高温界面粘结强度随着温度的升高逐渐降低，达到800度时，界面拉伸和剪切强度分辨下降了43.1%和45.0%。随着疲劳试验时间的增加，脆性界面的损伤受应力影响最大，受温度影响较小，脆性界面滑移量变化速率基本稳定。(4) 对于玻璃-PVB胶片韧性界面，测量常温-80度范围内玻璃-PVB胶片的应力松弛，获得了应力弛豫变形规律和失效机理。加载速率越快，界面强度越高。随着温度升高，界面强度和界面失效的寿命下降速度越快。韧性界面失效机理通常是由于形变量变大导致粘弹性逐渐丧失，从而粘结性能变差，最终导致界面失效；（5）编制材料力学性能测试分析软件一套，成功立项新的国际标准ISO TC 206 NP 1501《陶瓷材料固定振幅条件下界面疲劳性能试验方法》。本项目发表论文18篇，申请和授权专利7项。制定国际标准1项，立项国际标准1项，制定国家标准2项,获得省部级奖励1项。成果解决了陶瓷高温界面服役性能评价和界面结合优劣评估的技术难题，为陶瓷粘结复合件的结构设计及安全提供技术手段。