泡沫材料的高温本构及泡沫夹芯结构的热冲击阻力

高超声速飞行器热防护系统要求轻质、耐高温、有一定的结构强度和刚度，泡沫夹芯结构在满足这些要求方面具有明显的优势。然而，由于泡沫材料的高温本构体系还不完善，使得泡沫夹芯结构热防护性能的综合评价还不充分。本项目结合微观数值模拟、细观力学理论分析以及宏观实验测量，逐步建立泡沫材料的高温热/力学本构体系。在此基础上，通过对泡沫夹芯结构热冲击断裂的理论分析和实验研究，从而系统建立这类结构的热冲击阻力评价方法学。本项目研究内容丰富，涉及固体力学学科前沿，具有挑战性。如能成功实施，将奠定泡沫材料高温本构行为的理论体系，丰富泡沫夹芯结构的高温设计准则，为未来轻质热防护系统的推广应用积累基础技术，为我国航空航天、国防技术的发展作出贡献。

航天飞行器由于增速增程的需求，对热防护材料提出了更高的要求。近年来，以泡沫材料为夹芯结构的热防护系统引起人们越来越多的关注。这类泡沫材料可以最大限度地减轻结构重量、耐高温、抗腐蚀，满足热防护结构设计的要求。目前，在泡沫夹芯结构高温热防护系统设计中，陶瓷泡沫材料因具有质轻、热导率低、高温稳定性好等特点而成为最具前景的候选材料。但由于陶瓷泡沫材料属于脆性材料，在生产和使用过程中极易产生裂纹。因此，对含裂纹陶瓷泡沫材料进行热冲击阻力分析，建立高温环境下陶瓷泡沫材料的热冲击阻力评价方法是至关重要的。本项目研究陶瓷泡沫材料及其结构的热冲击阻力行为，项目按计划进行。主要研究内容如下：(1) 针对含有边界裂纹半无限大陶瓷泡沫材料，研究了其在瞬时热应力作用下的热冲击阻力行为, 给出了热应力及热应力强度因子与相关参数变化关系的数值结果,分析了温度荷载和相对密度对裂纹稳定性的影响。获得了热冲击阻力曲线，并且得到了应力准则和断裂韧性准则应用的临界条件;(2) 基于含有边界裂纹和中心裂纹两种不同位置裂纹的有限大陶瓷泡沫材料，获得了材料内部的热应力、裂纹尖端的热应力强度因子等, 获得了裂纹扩展曲线和热冲击阻力与裂纹长度关系的变化规律; (3)对陶瓷泡沫涂层–基底系统，建立了涂层-基底双材料热冲击断裂分析模型。获得了裂纹扩展曲线，分析了相对密度和温度荷载对陶瓷泡沫涂层内边界裂纹稳定性的影响。获得了裂纹尺寸与涂层厚度不同比例下的热冲击阻力; (4)研究了性能参数与温度相关时陶瓷泡沫材料的热冲击阻力，获得了裂纹尖端热应力强度因子与各变量之间的函数关系表达式。基于断裂韧性准则和应力准则分别给出了热冲击和冷冲击条件下陶瓷泡沫材料的热冲击阻力曲线，并和性能参数与温度无关时所获得的热冲击阻力进行对比; (5)通过几何光学定律和衍射理论得到了泡沫材料的辐射性质参数，对泡沫材料的辐射导热系数进行了预测。讨论了基体的光学参数对辐射导热系数的影响。为了对模型进行验证，采用热线法对不同规格的氧化铝陶瓷泡沫的导热系数进行了测量，并将理论预测结果和实验结果进行了对比, 获得了陶瓷泡沫材料高温导热系数随温度的变化趋势和规律。