低温极端环境下结构陶瓷的性能、服役行为及其应用基础的研究

To meet the urgent requirement of the modern cryogenic engineering and technology, and fill the extreme shortage and gap in the fundamental research of structural ceramics at cryogenic temperatures, this project will systematically study the physical and mechanical properties of several typical types of structrual ceramics at cryogenic temperatures, deeply investigate the crack propagation behavior and fracture mode of these materials at cryogenic temperatures, analyze the change of the structures and properties of these materials during long-term service under extreme environment of cryogenic temperatures, carry out the multi-scale simulation and finite element method simulation of mechanical properties of these materials at cryogenic temperatures on basis of the obtained physical parameters. Thus, this project will reveal the mechanism of the effect of cryogenic environment on the phase transformation and grain boundary structures as well as the mechanical performance and fracture mechanism at cryogenic temperatures. This project will clarify which kind of ceramic materials can be applied in cryogenic fields. Then the essential law of properties of structural ceramics at cryogenic temperatures can be obtained, and the scientific theory of ceramic materials can be enriched. Based on the above researches, ceramics with excellent properties and high reliability at cryogenic temperatures can be fabricated by the design and optimization of structures and composition of materials. Therefore, scientific basis and technical supports can be provided for the application of structural ceramics in the cryogenic field.

为满足现代低温技术和低温工程对结构陶瓷材料的迫切需求，填补结构陶瓷材料在低温性能科学基础研究方面的极度匮乏与空白；本项目将系统研究几类典型结构陶瓷材料的低温物性和力学性能及其变化规律，深入探讨低温环境下陶瓷材料的微观结构与性能之间的关系，深入研究低温下陶瓷材料的裂纹扩展方式及断裂模式，并对陶瓷材料在低温极端环境下长期服役过程中的结构与性能变化进行分析与研究，并且通过所获得的低温物性参数对低温下陶瓷材料的力学性能变化进行多尺度模拟和有限元仿真计算；进而揭示低温环境对多晶陶瓷的相变和晶界结构作用机理以及陶瓷材料在低温环境下力学行为与断裂机理，阐明哪些陶瓷材料可应用于低温领域；从而得到陶瓷材料性能受低温影响的本质规律，丰富陶瓷材料科学的理论。在此基础上通过对材料结构和组成的优化设计，制备出低温下具有优良性能的高可靠性陶瓷材料；从而为结构陶瓷材料在低温领域的应用提供科学依据和技术保障。

随着人类科学技术的进步，低温技术在航空航天、热核聚变以及超导领域得到了广泛的应用。结构陶瓷具有硬度高、耐磨损、电绝缘等特点，可以与金属和高分子材料形成互补，在某些低温应用领域发挥独特的优势。为满足现代低温技术对结构陶瓷材料的迫切需求，填补结构陶瓷材料在低温性能科学基础研究方面的极度匮乏与空白，本项目系统研究了几种典型陶瓷材料的低温性能与断裂机理、复相陶瓷材料的低温力学性能、陶瓷材料低温疲劳行为，相应断裂过程的分子动力学模拟分析，以及低温零/负膨胀材料。.其中比较突出、具有代表性的成果包括：（1）当温度从293 K降低到77 K时，氮化硅陶瓷的稳态断裂韧性增幅为25.4%，并具有R曲线显著升高。测得某一桥接结构293 K下桥接应力的最大值为0.7 GPa，而在77K下桥接应力的最大值增加到1.0 GPa，这说明桥接应力增加是低温下氮化硅陶瓷韧性改善的主要原因之一。（2）低温下的裂纹扩展速率较低，表明在低温下疲劳寿命的提高；低温下的静疲劳极限远高于室温，意味着如果将3Y-TZP陶瓷应用于液氮介质这样的环境中，能够安全应用的范围远大于其在空气中的阈值；（3）低温下SiCw/Si3N4复相陶瓷的韧性提高了约41 %，说明低温下SiC晶须的增韧作用增强了，而77K下GPLs/Al2O3复相陶瓷韧性最优的成分点是1.0 vol%；（4）利用分子动力学计算模拟了石英玻璃在不同温度下断裂的过程，并进行了裂纹扩展的相关研究；（5）设计和制备了具有低温零膨胀和负热膨胀性能的LaFeSi基化合物、硼酸盐晶体和纳米晶Mn(Cu1-xGex)N材料。项目执行以来，在本领域国际权威陶瓷期刊及材料类期刊上已发表SCI收入的文章45篇，申请国家发明专利1项。上述研究工作所取得的许多研究结果在国际上也是首次报道，具有科学意义和实际应用价值。