极端温度超高温陶瓷力学性能测试技术仪器关键问题研究

Aimed at the testing of the mechanical properties of a type of ultra-high temperature ceramics with ideal conductivity, such as ZrB2, TaC, HfN, HfB2 and ZrC, at different temperature (including extreme high temperature), the following problems are to be studied: the principles and methods of the testing of the mechanical properties of materials by making use of a direct electricity-heating method, the principles and methods of high precision measurements of temperature and strain/deformation, respectively, the principles and methods of the testing of fundamental mechanical properties of materials subjected to complex coupled thermal-mechanical loadings, the problems related to the integration and the control of the testing system, etc. A new technology and the corresponding testing system are to be developed for the test of the mechanical properties of ultra-high temperature ceramics at extreme high temperature using a direct electricity-heating method，with numerical simulation and optimization assisted design. The highest temperature and the largest heating rate of the system can reach 3000 C and over 3000K/sec, respectively. In this system, high-precision electro-hydraulic servo loading system, high-precision measurement of strain/deformation, high-precision measurement of temperature using a dual-color-temperature measuring system, and programming close-loop control are to be adopted. With this testing system, the tensile and compressive response, the fracture toughness, the cyclic properties and the thermal shock of preloaded materials under different temperature can be measured. The dependence of temperature and the effect of heating rate can be obtained experimentally. The main influencing factors and their effects on the mechanical properties and the failure of the materials can then be obtained. The developed testing system can provide the means for the test and characterization the mechanical properties of the ultra-high temperature ceramics at extreme high temperature, and provide the corresponding national significant strategy demand with mechanics support.

针对包含极端温度的不同温度下超高温陶瓷力学性能的测试，研究对试件直接通电加热进行其力学性能测试，温度、变形/应变高精度测量，复杂热-力耦合下材料基本力学性能测试的原理与方法，系统集成与控制中的科学问题等。采用设计、模拟与优化相结合的方法发展基于电加热的极端温度下超高温陶瓷力学性能测试技术并研制相应的测试系统，其最高工作温度可达3000oC，最大温升率3000K/sec，采用高精度电液伺服加载、变形测量和双点双色高速测温系统，热-力加载过程编程闭环控制，可进行复杂热-力耦合下的拉、压、断裂韧性、循环特性、预载热震等测试。进行不同热环境下典型超高温陶瓷力学特性测试，获得其在单调或循环热-力加载下的力学性能及其温度、温升（降）率依赖性，分析影响超高温陶瓷特性与失效的主要因素及其作用效果。为极端温度下超高温陶瓷力学性能及其表征提供实验手段，填补国内空白，并为相关的国家重大需求提供力学支撑。

针对包含极端温度的不同温度下超高温陶瓷力学性能测试，研究了对试件直接通电加热进行其力学性能测试中涉及的原理与方法，温度、载荷、变形/应变的高精度测量，系统集成与控制等的关键问题，研制了微型电加热超高温轴向拉/压/弯曲测试系统，其性能指标达到或超过项目申请提出的要求。.该系统含电源、夹持、加温、加载、冷却、真空或气体氛围、测量、数据采集及伺服控制等部分；可测量载荷、位移、应变、温度等参量；可进行全过程伺服控制；可进行定点及全场温度的测量；数值模拟表明该装置可获得较真实的材料超高温特性及其随温度的变化；可进行超高温环境下的拉压特性、预载热震、蠕变/松弛、力-热-氧化耦合试验等；可考虑不同温度(最高可达3300°C)、温升率(实测温升率可达3900°C/s)、加载速率和预载的影响。装置的最大载荷3kN、最大行程50mm，试件的夹持对中度优于0.01mm/50mm，重负荷下的轴向稳定度优于5m水平，最大轴向摩擦力小于0.5N，采用烧结氧化锆绝缘，保证最佳的导电通路。采用小试件，可测量参数多，系统热惯性小,具有经济、高效、节能、安全、环保、紧凑等优点。研制了附加安培力横向加载装置，可将测试装置的功能拓展到极端温度下的弯曲试验。开发了高精度的实时采数据采集、处理及伺服控制的集成测控系统。为极端温度下超高温陶瓷力学性能测试提供手段，为相关的国家重大需求提供力学支撑。.所研制测试系统中夹持与加载装置采用全浮动支撑，有效减少了夹具和电缆等的相对运动和试件轴向热应变诱发的附加力带来的测量误差。实现了试件表面温度场实时测量。利用轴向温度扫描装置可获得温度的实时时空分布。基于“双色温比色计+图像测量相机”和灰度图像及灰度相关算法的“温度-应变”一体化测量系统不仅将轴向温度测量扩展到试件表面全场温度测量，而且实现了基于视频引伸计原理的超高温试验应变测量。进行了不同温度下ZrB2基陶瓷的超高温常规力学特性测试和不同预载下的热冲击试验，最高温度达2600°C。进行了ZrB2基超高温陶瓷的高温氧化和超高温陶瓷的预载热冲击/热疲劳试验，并用SEM观察分析了测试试件的微结构。建立了计及热—力—化学的多物理场耦合氧化模型，可考虑基体约束引起的氧化层内应力与氧气扩散之间的相互作用。提出了一种决定弹塑性介质Eshelby张量的新方法，具有物理概念明确，形式简单、应用方便、计算效率高的优点。