热失配致复合材料结构界面层裂及热-力等效试验研究

层裂是热冲击下材料及结构的主要失效模式之一。层裂为表层材料或涂层在热失配压应力作用下界面裂纹在剪切主导下的接触扩展问题，层裂过程为一跨尺度力学破坏机制。本项目主要针对未来近空间飞行器所涉及的热冲击环境以及它对抗热冲击和轻质等方面的要求，从跨尺度力学表征、热-力等效试验和计算模拟等角度系统地研究复合材料结构体系（作为未来近空间飞行器设计的备选材料结构）的界面层裂问题。首先从前期建立的跨尺度理论模型出发刻划受热冲击作用外表隔热层与基体层间界面的层裂机制。其次通过热-力等效及系统的试验研究（由粘接薄板拉剪试验模拟均匀温度热失配；由撕裂试验模拟梯度温度热失配（热冲击）），观测微裂纹形核、演化导致层裂的基本规律，建立跨尺度力学理论参数间的关系。最后，通过大规模的计算机仿真模拟，系统地研究裂纹面的接触摩擦效应及对层裂扩展的影响规律。通过本项目研究，为进一步优化耐热冲击复合材料结构体系提供理论依据。

热防护层（或涂层）的断裂或层裂是热冲击下该防护层/基体体系或结构的主要失效模式。热冲击下热防护层的断裂是热防护层材料局部达到了极限拉伸强度，一般在薄的热防护层的情形发生该种破坏；而层裂为表层材料或涂层在热失配压应力作用下界面裂纹在剪切主导下的接触扩展问题，层裂过程为一跨尺度力学破坏机制。一年来，项目在执行过程中，主要针对未来近空间飞行器所涉及的热冲击环境以及它对抗热冲击和轻质等方面的要求，结合一种实际的高温发动机叶片体系（陶瓷涂层ZrO2-8%Y2O3 / Ni基超合金），从跨尺度力学表征、热-力等效试验和计算模拟等角度系统地研究了热防护层/基体体系（作为未来近空间飞行器设计的可能备选材料结构）的界面层裂问题。首先从前期建立的跨尺度理论模型出发刻划了受热冲击作用外表隔热层与基体层间界面的层裂机制。其次通过热-力等效及系统的热震试验研究（由三点弯曲实验模拟热失配引起的变形失配以及粘接薄板拉剪试验模拟均匀温度热失配；由撕裂试验模拟梯度温度热失配（热冲击）），观测微裂纹形核、演化导致热防护层断裂及层裂的基本规律，建立了跨尺度力学理论参数间的关系。最后，通过大规模的计算机仿真模拟，系统地研究裂纹面的接触摩擦效应及对层裂扩展的影响规律。通过本项目研究，为进一步优化耐热冲击复合材料结构体系提供了理论依据。