氧化锆热障涂层铁弹性增韧机制和热老化机理的实验和相场法研究

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项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    11872023
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    63.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    A0802.固体强度、损伤、断裂与疲劳
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2022-12-31

项目摘要

Thermal barrier coatings (TBC) play a vital role in improving the thermal efficiency of engines. The fracture toughness of the material used in the ceramic coating is an important factor that influences the reliability of the TBC. The metastable tetragonal zirconia ceramics (t'-YSZ,or YSZ) possesses the special ferroelastic toughening mechanism and is the most widely used ceramic layer material currently. In the manufacturing process, typical crystal and defect structures are formed in the YSZ coating. However, there are no corresponding mesoscale studies to quantitatively characterize the fracture mechanism and the ferroelastic toughening effect of the YSZ coating. In addition, with a further increase of the working temperature, the service performance of the YSZ coating is deteriorated by thermal aging. This project aims to develop the coupled phase field models to study the influences of the various microstructural factors such as the crystal orientation, the grain size, the domain structure and the internal defects on the crack propagation behavior and the ferroelastic toughening effect of the YSZ ceramics, by combining numerical simulations with experimental studies. On the basis of that, it is anticipated that the relation between the microstructure and the fracture toughness of the YSZ coating can be established. In the meantime, this project intends to simulate and characterize the thermal aging behavior of YSZ ceramics by combining phase field modelling with experimental studies and investigate how the microstructure influences its performance after thermal aging. It is anticipated that the research results of this project can provide valuable information for the improvement of the service performance of the YSZ coating through microstructure control and through defect morphology control and optimization.
热障涂层(TBC)对于提升发动机热效率起着关键作用。陶瓷层材料的断裂韧性是影响TBC可靠性的重要因素。亚稳态四方相氧化锆(t'-YSZ,简称YSZ)具有特殊的铁弹性增韧机制,是目前应用最广的陶瓷层材料。YSZ涂层在制备时形成特殊的晶体和缺陷结构。目前缺乏相应的介观尺度研究来定量表征YSZ涂层的断裂机理及其铁弹性增韧效应。此外,当工作温度进一步提升时,YSZ涂层的服役性能受热老化问题的困扰。本项目致力于发展相应的耦合相场模型,结合实验研究,探讨晶体取向、晶粒大小、初始畴结构以及内部缺陷等微结构因素对YSZ陶瓷内部裂纹扩展行为及其铁弹性增韧效应的影响,在此基础上,建立陶瓷层断裂韧性与其内部微结构之间的联系;同时,借助相场模拟,结合实验研究,对YSZ陶瓷的热老化行为进行模拟和表征,探讨各微结构因素对其热老化性能的影响;为从微结构调控、缺陷形态控制和优化角度提升YSZ涂层的服役性能提供参考依据。

结项摘要

热障涂层(TBC)能显著降低涡轮叶片表面温度、延长叶片服役寿命、提升发动机热效率。陶瓷层的断裂韧性是影响热障涂层可靠性的关键因素之一。亚稳态四方相氧化锆(t'-YSZ)具有特殊的铁弹性增韧机制,是目前应用最广的TBC陶瓷层材料。发展介观方法来定量表征t'-YSZ的断裂和增韧机理对于TBC的可靠性评估具有重要意义。此外,t'-YSZ涂层的耐受温度受热老化问题制约。尽管学术界开展了大量实验研究,但目前对t'-YSZ的热老化机理仍存在诸多争议,为了揭示相关机理,有必要发展介观尺度方法,从微结构演化角度对t'-YSZ的热老化行为进行定量表征。.在基金资助下,研究团队构造了模拟t'-YSZ陶瓷铁弹畴翻转以及氧化锆c-t'相变、t-m相变的相场模型,在此基础上,构造了可同时模拟裂纹扩展以及铁弹畴翻转/相变过程的耦合相场模型。利用所发展的耦合相场模型,团队研究了单晶单畴t'-YSZ、单晶多畴t'-YSZ、多晶单畴t'-YSZ、多晶多畴t'-YSZ以及t相氧化锆的裂纹扩展行为,探讨了晶体取向、晶界、初始畴结构以及反相畴界等因素对氧化锆断裂行为的影响,通过计算能量耗散率定量表征了t'-YSZ的铁弹增韧效应以及t相氧化锆的相变增韧效应。同时,团队构造了模拟t'-YSZ热老化行为的扩散-相变耦合相场模型,利用所发展的相场模型研究了单晶单畴t'-YSZ、单晶多畴t'-YSZ以及多晶多畴t'-YSZ的热老化行为,探讨了稳定剂浓度、初始畴结构和反相畴界等微结构因素对t'-YSZ热老化行为的影响,对实验中观测到的热老化现象给出了机理性解释。本项目的研究增进了对t'-YSZ断裂机理和热老化机理的理解,为热障涂层的断裂性能评估以及服役性能演变机理的表征提供了介观尺度模拟方法。

项目成果

期刊论文数量(7)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Ferroelastic toughening of single crystalline yttria-stabilized t ' zirconia: A phase field study
单晶氧化钇稳定氧化锆的铁弹性增韧:相场研究
  • DOI:
    10.1016/j.engfracmech.2020.107077
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    Engineering Fracture Mechanics
  • 影响因子:
    5.4
  • 作者:
    Sun Yuanzun;Luo Jun;Zhu Jingming
  • 通讯作者:
    Zhu Jingming
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  • 发表时间:
    2022-05
  • 期刊:
    Ceramics International
  • 影响因子:
    5.2
  • 作者:
    Fang Bing;Luo Jun
  • 通讯作者:
    Luo Jun
A phase field model for fracture based on the strain gradient elasticity theory with hybrid formulation
基于混合公式应变梯度弹性理论的断裂相场模型
  • DOI:
    10.1016/j.engfracmech.2021.107975
  • 发表时间:
    2021-10
  • 期刊:
    Engineering Fracture Mechanics
  • 影响因子:
    5.4
  • 作者:
    Zhang Baiwei;Luo Jun
  • 通讯作者:
    Luo Jun
A phase field model for electromechanical fracture in flexoelectric solids
挠电固体中机电断裂的相场模型
  • DOI:
    10.1016/j.engfracmech.2022.108564
  • 发表时间:
    2022-06
  • 期刊:
    Engineering Fracture Mechanics
  • 影响因子:
    5.4
  • 作者:
    Zhang Baiwei;Luo Jun
  • 通讯作者:
    Luo Jun
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  • DOI:
    10.1016/j.commatsci.2019.109326
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    Computational Materials Science
  • 影响因子:
    3.3
  • 作者:
    Zhu Jingming;Luo Jun;Sun Yuanzun
  • 通讯作者:
    Sun Yuanzun

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其他文献

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  • 作者:
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  • 通讯作者:
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罗俊的其他基金

医用氧化锆陶瓷表面退化和失效的微观机理及其实验和相场法研究
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  • 项目类别:
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AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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