极端高温环境下材料动态力学行为实验表征方法及应用

In recent years, thermal structural materials such as ceramics, ceramic matrix composites and super alloys have been widely used in structures of hypersonic vehicles and aero engines which usually bear extremely high temperature. Therefore, full understanding of their dynamic mechanical behavior at high temperatures is of great importance for structural safety design of anti-impact loading. However, limited to the experimental technique, it is of great challenge for performing experiments at high strain rate at temperature as high as 1800℃. In this project, based on our previous work on high temperature split Hopkinson pressure bar technique, we aim to develop an experimental method for measuring dynamic behavior of materials at high temperatures (up to 1800℃). Meanwhile, in order to obtain the high temperature deformation field and observe the deformation procedure in-situ, a high speed camera will be employed to record images of the specimen during testing through a window in the heating furnace. In addition, key issues such as capture of dynamic deformation images, high quality motion image deblurring, preparation of high temperature speckles and weak correlation of images will also be researched. The developed method will be employed to investigate the mechanical behavior of ceramic matrix composites at the coupling effect of high strain rate and high temperature.

陶瓷及陶瓷基复合材料、耐高温合金等作为具有防热承载一体化功能的热结构材料，被广泛应用于高超声速飞行器和航空发动机高温部件。全面认识这些耐高温热结构材料在高温服役环境下的动态力学行为，是结构抗冲击安全性设计的基本依据。然而，由于实验手段的制约，导致目前尚无法研究这类材料在极端服役温度环境（可达1800℃）下的动态力学性能。本项目将在所在团队前期分离式Hopkinson压杆高温实验方法的基础上，发展一种能够实现1800℃高温环境下材料动态力学性能实验的加载方法，并解决高温环境下高速变形图像获取、图像模糊、高温散斑制作和图像弱相关等问题，形成能够与分离式Hopkinson杆配合使用的高温动态变形图像获取和高精度处理方法，实现对高温环境下材料动态变形过程的实时观测和变形场定量表征，并将之应用于陶瓷基复合材料的高温动态力学性能研究。

陶瓷及陶瓷基复合材料、耐高温合金等作为具有防热承载一体化功能的热结构材料，被广泛应用于高超声速飞行器和航空发动机高温部件。全面认识这些耐高温热结构材料在高温服役环境下的动态力学行为，是结构抗冲击安全性设计的基本依据。然而，由于实验手段的制约，导致目前尚无法研究这类材料在极端服役温度环境（可达1800℃）下的动态力学性能。本项目在所在团队前期分离式Hopkinson压杆高温实验方法的基础上，通过电磁阀和延时控制器，实现了高控制精度和高稳定性的双同步组装系统，发展了一种能够实现1800℃高温环境下材料动态力学性能实验的加载方法。通过在镜头前方加装蓝色滤光镜并在实验中增加蓝色光源，解决了高温下由于热辐射导致的过饱和问题，从而得到清晰的图像纹理；提出了一种基于加载分析的点扩散函数去模糊方法，通过对模糊像素进行卷积，有效地去除了试件高速变形过程中所产生的运动模糊；针对高温下无法使用应变片，制备高温散斑，验证DIC测量小应变的准确性，对比应变片、DIC、Hopkinson二波法三者测量结果的差异，并研究其产生原因，实现对高温环境下材料动态变形过程的实时观测和变形场定量表征。并对2D C/SiC 陶瓷基复合材料开展了高温动态力学性能研究，研究结果表明，高温动态加载下2D C/SiC的失效受应变率、温度、氧化三者耦合作用影响。多处裂纹同时扩展和界面强度的提高是应变率效应产生的主要原因，材料的强度随应变率的增加而增加，而应变率敏感性随温度的升高而降低；高温下，残余应力的释放导致纤维和基体界面强度升高，从而导致材料的强度随温度的升高而增加；纤维的氧化损伤会降低材料的强度。而氧化损伤还具有时间和温度依赖性，受变形速率、加热温度的耦合影响，同时涂层可以有效的降低材料的氧化损伤。此外，更高的致密度会导致更高的强度和更低的应变率敏感性。