纳米结构热障涂层的损伤灾变实验及机理研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    11672296
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    82.0万
  • 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:
    2020
  • 批准年份:
    2016
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2017-01-01 至2020-12-31

项目摘要

Thermal barrier coatings have wide application in aerospace, marine, mechanical fields, etc. For example, for firebox of rocket engines worked in high temperature environment, the ZrO2 coatings of several hundred microns are sprayed or deposited on the Ni-based alloy substrates as thermal protection. The interface between the coatings and the substrates will fracture when the parts experience thermal shock, bending loading due to the interface mismatch of two materials. Once the coatings spall, the alloy parts will failure soon. The quality and life of the related parts are improved by changing microstructure, size and fabrication process of the coatings and the alloys. Nanostructured coatings may appear different mechanical behavior compared to the conventional coatings due to the smaller microstructure scale, related study on their mechanical behavior is few. To study damage and failure behavior of nanostructured ceramic coatings/alloy substrates systems under thermal, mechanical loading not only is significant in guiding design and application of coating systems, but also provides an appropriate platform for developing micro/nanoscale mechanical, interface mechanical theory, and elastic brittle damage model. In this project, damage and catastrophic failure characteristics and mechanism of several kinds of micro/nanostructured ceramic coatings/alloy substrates systems will be studied systematically by performing in situ 3-point bending and 4-point bending experiments and checking crack evolution. A general brittle damage model will be developed based on the Taylor’s expansion and the experimental results, a new damage parameter will be proposed, and the physical meaning of the related damage parameter will be revealed combining with the microstructure and nanoscale interface thermodynamics. Moreover, the model will be used to study damage and failure of the coatings under thermal shock to develop thermal-mechanical damage relation and to provide reference for designing coatings and failure prediction.
热障涂层在航天等许多领域有重要应用,如高温下服役的火箭发动机燃烧室、涡轮发动机叶片等,一旦涂层开裂、剥落,暴露在高温下的金属基底将很快失效,故该体系在各种力、热载荷下的失效行为广受关注,而其中纳米结构涂层由于较小的微结构尺度可能展现出不同的行为,相关研究却较少。对纳米结构热障涂层的损伤失效行为研究,不仅对实际应用具有借鉴意义,而且为发展薄膜及界面力学、微纳米多尺度力学以及弹脆性涂层损伤力学提供了契机。本项目基于热力等效思想,拟通过开展微纳米结构涂层样品的原位四点弯及三点弯系统实验,实时考察裂纹演化,定义损伤参量,结合控制变量(如应力)的Taylor 展开,发展弹脆性涂层的损伤灾变模型;并根据纳米结构涂层的损伤失效特征,结合纳米表界面热力学模型刻画纳米结构涂层的损伤失效机制;最后将之应用于研究涂层在热震及热冲击载荷下的损伤失效行为,建立热-力损伤失效关联,以期为涂层设计及破坏预测提供依据。

结项摘要

热障涂层在航空航天等许多领域有重要应用,如高温下服役的火箭发动机燃烧室、涡轮发动机叶片等,一旦涂层损伤开裂、剥落,暴露在高温下的金属基底将很快失效,因此研究涂层结构在力、热载荷下的损伤规律,尤其灾变失效研究具有重要意义。其中纳米结构涂层由于减小的微结构尺度展现出不同的力学性能,其损伤失效有什么特点,研究这一问题为从微结构特征到宏观损伤的跨尺度关联研究提供了载体。本项目通过设计并开展微纳米结构涂层样品的原位弯曲实验及模拟、以及热震实验等,实时考察了裂纹演化,定义了损伤变量,结合控制变量(如主控应力、温度、循环次数等)的Taylor展开,发展了弹脆性涂层的损伤灾变模型;发现实验结果与理论一致,损伤演化满足统一的幂次规律。研究表明厚涂层比薄涂层损伤较快、纳米结构厚涂层比微米结构涂层损伤较慢、弯曲载荷下损伤比热载荷下损伤较快、高温拉伸比室温拉伸损伤较快等;创新提出了表征损伤速率的损伤系数,揭示了它的能量机制。损伤模型可定量表征涂层结构的损伤与其几何、微结构尺度、界面强韧性、加载条件等的相关性。项目研究为涂层相关部件的设计及破坏预测与应用可靠性提供了基础依据。

项目成果

期刊论文数量(17)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(10)
专利数量(0)
Inclusion problem in second gradient elasticity
第二梯度弹性中的包含问题
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    International Journal of Engineering Science
  • 影响因子:
    6.6
  • 作者:
    H. Ma;G. Hu;Y. Wei;L. H. Liang
  • 通讯作者:
    L. H. Liang
Mechanical behavior and size effect of the staggered bio-structure materials
交错生物结构材料的力学行为和尺寸效应
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    Mechanics of Materials
  • 影响因子:
    3.9
  • 作者:
    H. Ma;Y. Wei;J. Song;L. H. Liang
  • 通讯作者:
    L. H. Liang
Damage characterization model of ceramic coating systems based on energy analysis and bending tests
基于能量分析和弯曲试验的陶瓷涂层系统损伤表征模型
  • DOI:
    10.1016/j.ceramint.2017.12.068
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    Ceramics International
  • 影响因子:
    5.2
  • 作者:
    H. Y. Liu;Y. G. Wei;L. H. Liang;X. H. Liu;Y. B. Wang;H. S. Ma
  • 通讯作者:
    H. S. Ma
The atomistic simulation study of Ag/MgO interface tension fracture
Ag/MgO界面拉伸断裂的原子模拟研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    Computational Materials Science
  • 影响因子:
    3.3
  • 作者:
    X You;LH Liang;Y Wei
  • 通讯作者:
    Y Wei
Size-dependent damage and fracture of two-layer systems
两层系统的尺寸相关损伤和断裂
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    Engineering Fracture Mechanics
  • 影响因子:
    5.4
  • 作者:
    LH Liang;H Liu;H Long;Y Wei
  • 通讯作者:
    Y Wei

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其他文献

金属/环氧/金属粘结体系的强韧和失效机制实验研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    《力学学报》
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    李景传;梁立红;刘小明;马寒松;宋晶如;魏悦广
  • 通讯作者:
    魏悦广
先进涂层体系的跨尺度硬度及界面梯度效应研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    中国材料进展
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    梁立红;刘海燕;宋晶如;王颖彪;魏悦广
  • 通讯作者:
    魏悦广
金属/环氧/金属粘结体系的强韧和失效机制实验研究
  • DOI:
    10.6052/0459-1879-17-321
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    力学学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    李景传;梁立红;刘小明;马寒松;宋晶如;魏悦广
  • 通讯作者:
    魏悦广

其他文献

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梁立红的其他基金

微纳米陶瓷颗粒填充聚合物拉伸强度的尺度效应实验及机理研究
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2021
  • 资助金额:
    61 万元
  • 项目类别:
    面上项目
氧化铝薄膜与镍基底的高温界面强度跨尺度表征
  • 批准号:
    91860102
  • 批准年份:
    2018
  • 资助金额:
    60.0 万元
  • 项目类别:
    重大研究计划

相似国自然基金

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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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