陶瓷材料热震失效机理研究

结题报告

项目介绍

AI项目解读

基本信息

批准号：
11172023
项目类别：
面上项目
资助金额：
72.0万
负责人：
蒋持平
依托单位：
北京航空航天大学
学科分类：
A0814.极端条件下材料与结构力学
结题年份：
2015
批准年份：
2011
项目状态：
已结题
起止时间：
2012-01-01 至2015-12-31

项目参与者：
严鹏；刘习文；柴慧；武小峰；侯慧龙；尚伟；
关键词：
失效机理半逆测量法开裂模式热震陶瓷

项目摘要

本项目研究工程陶瓷热震失效机理，包括三个关键基础科学问题。其一发展陶瓷材料抗热震性能评价理论，阐明抗热震性能与诸影响因素的关联规律，并深入探索其中的简明关系，为解决长期以来困惑人们的Kingery"临界应力断裂理论"和Hasselman"热震损伤理论"之间的矛盾做出贡献。其二发展陶瓷材料热震相关的高温物性参数的"半逆测量法"，针对高温物性参数的不足和技术上难以精确测量的困难，理论、实验与计算相结合，通过测量易测的量，数值反演难测的高温物性参数，为研究提供可靠的基础数据。其三发展陶瓷材料热震裂纹模式预报的能量方法，研究能量（包括应变能和断裂能）与裂纹的间距、深度、长短分级、偏折等的关系，利用最小能量原理发展数值预报方法，推进热震剩余强度的机理研究。本项目将对陶瓷热震失效机理研究提出新思想、新方法，推进陶瓷材料抗热震性能评价理论与应用研究，促进固体力学热力耦合理论的发展。

结项摘要

陶瓷材料具有优异的高温机械性能、耐化学腐蚀、耐磨损、抗高温氧化，广泛应用于各工业部门，特别是高超声速飞行器热防护系统、内燃机等极端环境下的耐热构件，但是陶瓷材料固有的脆性使其易于发生机械损伤和热震失效。为了充分发挥陶瓷材料的潜力，必须从基础研究出发阐明其失效机理。本项目通过实验、理论与数值相结合的研究，取得了系统的成果，圆满完成计划目标。. 首先开展了陶瓷材料抗热震性能评价理论的基础研究，阐明了热震过程中的温度场和应力场的非线性变化规律，考察了试件尺寸和形状，毕渥数、裂纹构型诸因素的影响，考察了多孔陶瓷材料的孔洞辐射对传热的影响，为进一步的研究奠定了基础。.然后开展了系统的实验研究，主攻方向放在热震参数（热震温度、试件尺寸、几何形状等）与裂纹构型（热震裂纹间距、长度和长度分级等）的定量关联。为此设计了各种尺寸的薄片陶瓷矩形条和圆形试件，在各种热震温度下进行了实验，获得了热震裂纹长度、长度分级与密度随热震温度增加的定量规律，试件形状和尺寸对裂纹构型影响的定量规律。. 接着开展了热震裂纹构型的数值模拟研究，主攻方向是从以往的定性研究提高到定量预报的水平。注意到过去的研究停留于定性水平的关键困难是高温物性参数的缺乏，特别是对流换热系数的分散度达一个数量级，并且受实验技术的制约一时难以解决，本项目发展了有特色的“半逆方法”。利用易测量的裂纹间距，通过数值方法计算难于测量的对流换热系数，定量预报了热震裂纹的长度和分级，不同尺寸试件的裂纹构型。所发展的方法对于利用易测量的量，结合理论与数值分析提供实验难测量的数据方面有重要应用前景。我们发展的是周期数值模型，也与法国同行合作开展了随机数值模型的研究，发现随机模型能精细地模拟裂纹途径的随机小扰动，同时证实周期模型能抓住周期分级的本质特征，周期与随机模型相辅相成。. 项目对不同宽度的试件在不同温度热震后进行了剩余强度实验，显示剩余强度随热震温度以及试件尺寸都呈现出平台区行为。然后揭示了两种平台的形成机理。. 本项研究深化了陶瓷材料热震失效机理研究，推进了定量数值预报，为设计标准试件预报实际构件的热震性能，为技术陶瓷的研制和应用提供了理论和技术储备。