超高温陶瓷材料的热－力－氧耦合渐进损伤与失效机理研究

For the severe challenges on the thermal protection materials of the development of long-range hypersonic flying vehicles, in particular for the harsh demanding of its ultra-high temperature performance of obdurability under thermo-mechanical-oxidative coupling, this study will make researches on the ultra-high temperature ceramic thermal protection materials from the macro-microscopic view using the combination methods of experiments, theoretical analysis and numerical simulation. The multidisciplinary cross-research on the thermo-mechanical-oxidative coupling progressive damage and failure mechanisms of ultra-high temperature ceramics under different causative environments especially the extreme environments will be conduct, then a breakthrough in the basic theory of core scientific issues of obdurability and damage/failure mechanisms of ultra-high temperature ceramics will be made, and the model and the evaluation methodology about mechanical performances of ultra-high temperature ceramics under different causative environments will be established, further more, a thermo-mechanical-oxidative constitutive model can be used in different operation environments will be proposed which has the profound physical background and including the characteristic of microstructure and macrostructure, and the numerical simulation technique for thermo-mechanical-oxidative damage/failure analysis of ultra-high temperature ceramics will be developed, and it will be used for failure analysis of typical ultra-high temperature ceramic samples in order to provide the powerful study tool for the characterization of performance and failure response of ultra-high temperature ceramics in different operation environments. At the same time, research achievement of this study can also provide theoretical basis and technical reserve for applications, design and reliability assessment in the field of long-range hypersonic flying vehicles.

对于发展高超声速远程机动飞行器对热防护材料提出的严峻挑战，尤其对热-力-氧耦合作用下其超高温强韧性能的苛刻要求，针对超高温陶瓷热防护材料，通过实验、理论和数值模拟相结合的方法，从宏细观角度，对不同使役环境中特别是极端环境下超高温陶瓷材料的热-力-氧耦合渐进损伤与失效机理进行多学科的交叉研究，在超高温陶瓷材料的强韧性能和损伤失效机理等核心科学问题的基础理论上有所突破，形成超高温陶瓷材料在不同使役环境下力学性能的评价表征方法，建立适用于不同使役环境包含宏细观结构特征具有深刻物理背景的热-力-氧耦合损伤本构模型，开发超高温陶瓷材料热-力-氧损伤/失效分析的数值仿真技术，实现对典型超高温陶瓷试件的失效模拟，为不同使役环境下超高温陶瓷材料的性能表征和损伤失效分析提供有力的研究手段。本项目的研究成果可为超高温陶瓷材料在高超声速远程机动飞行器领域的应用、设计及可靠性评价方面提供理论基础和技术储备。

超高温陶瓷作为高温领域最有前途的材料之一，在其使役过程中常常面临复杂极端的工作环境，特别是在热-力-氧耦合环境下，对其强韧性能提出了苛刻要求，迫切需要建立超高温陶瓷材料的热-力-氧耦合损伤断裂模型及失效机理表征方法。本项目通过实验、理论和数值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。对超高温陶瓷材料在热-力-氧耦合作用下的损伤破坏及失效机理等核心科学问题进行了深入研究，并取得了丰富的研究成果。形成了超高温陶瓷材料在热-力-氧耦合作用下力学性能的系统评价表征方法，建立了包含宏细观结构特征具有深刻物理背景的系列断裂强度模型，建立了超高温陶瓷材料的温度相关性裂纹扩展准则，与现有有限元软件结合实现了对其热冲击裂纹演化过程更合理的模拟，为超高温陶瓷材料在热-力-氧耦合作用下力学性能表征和损伤失效分析提供了有力的研究手段。进一步基于建立的理论模型和微结构的分析与控制，得到了提高超高温陶瓷材料在热-力-氧耦合作用下强韧化性能的有效途径。资助项目执行期间，项目负责人以第一作者或通讯作者在包括国际固体力学领域旗舰期刊J. Mech. Phys. Solids，力学领域权威期刊Int. J. Mech. Sci.、Eur. J. Mech. A-Solid.，陶瓷领域所有Top期刊J. Am. Ceram. Soc.、J. Eur. Ceram. Soc.、Ceram. Int.，材料领域Top期刊 Mat. Sci. Eng. A、Compos. Part B在内的国际期刊上录用及发表标注此基金资助的SCI论文59篇，发表综述论文1篇；申请发明专利18项，其中已授权3项；依托本项目，新增国家自然科学基金重大科研仪器研制专项项目1项(直接经费900万元)，并入选重庆大学科研后备拔尖人才-“领军人才”培育计划；研制出有氧及惰性环境下材料抗热冲击性能测试设备1套以及用于纤维材料的有氧环境下高温拉伸试验的微型高温炉腔1套；以第一完成人获重庆大学自然科学奖一等奖1项。本项目的研究成果为超高温陶瓷材料在高超声速远程机动飞行器领域的应用、设计及可靠性评价方面提供了重要的理论支撑和技术储备。