氧化铝薄膜与镍基底的高温界面强度跨尺度表征

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    91860102
  • 项目类别:
    重大研究计划
  • 资助金额:
    60.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    A0804.接触、摩擦与表界面力学
  • 结题年份:
    2021
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2021-12-31

项目摘要

Ceramic coatings are widely used as surface thermal protections for high temperature parts of airspace engines. Thermal growth Al2O3 layers, formed by oxidation of precipitated Al from bond coats between superalloy substrates and ceramic top coatings at high temperatures, will cause an interface crack easily and lead a failure of the related parts. In order to understand the related interface failure mechanism and design a new multi-layer structure, the evolution of interface strength between Al2O3 thin films and Ni substrates with temperature and the related failure behavior will be studied in this project. Firstly, a coupling effect among the temperature, composition, and the grain size of Al2O3 thin films on interface energy between the thin films and the substrates will be studied theoretically. Combining the interface energy with interface fracture energy and the interface constitutive (i.e. interface stress-displacement relation), a trans-scale model on interface strength with temperature will be developed. Further, by introducing the interface cohesive elements based on the interface constitutive, simulations of interface failure of Al2O3 thin films/Ni substrates under a series of high temperatures or four-point bending loading will be carried out by using the finite element method. The effects of interface strength, toughness and film (substrate) thickness, strength, and toughness on failure behaviors will be studied. Meanwhile, nanocrystalline and polycrystalline Al2O3 thin films, with a series of thicknesses, deposited or sprayed on Ni substrates will be prepared, and the related interface failure study of these samples at high temperatures will be performed to verify the theoretical model and simulation results.
航空发动机热端部件广泛使用陶瓷涂层作为高温合金部件的表面隔热层,表层与合金基底之间的合金粘结层在高温服役时铝元素析出,形成的热生长氧化铝层易引起界面开裂导致表层剥离,致使部件失效。为了厘清氧化铝层与界面失效的关系及设计新型多层涂层,本项目研究氧化铝薄膜与镍基底的界面强度随温度、成分及微结构特征的演化及其失效行为。首先从理论上研究成分、尺度及温度效应对界面能的耦合影响,结合界面能与界面断裂能的热力学关系及界面本构,发展界面断裂能及界面强度的跨温度尺度耦合模型。进一步结合界面粘聚模型开展氧化铝薄膜/镍基底在高温下界面失效的有限元模拟,分别研究界面强度、薄膜韧度和薄膜厚度等与微结构相关的材料性能和几何参数对薄膜/基底体系的界面应力演化及损伤失效影响。同时制备镍基底上系列厚度的纳米晶和微米晶氧化铝薄膜,对系列薄膜样品在高温下的损伤失效行为进行实验研究,验证理论和模拟,以提供新型多层涂层设计依据。

结项摘要

项目针对航空发动机高温材料中常涉及到的氧化铝薄膜与镍基底的高温界面强度表征这一关键科学问题,开展了氧化物薄膜(涂层)/金属基底界面力学性能的宏观、微观多尺度研究,发现了膜/基结构界面强度、断裂能、损伤与断裂行为的尺度效应,取得了系列创新成果,构建了膜/基结构界面断裂能与界面强度的跨尺度模型,揭示了界面损伤与断裂行为的跨尺度机制。考虑到理解氧化物/金属界面失效的微观机制对有效表征界面强度至关重要,项目首先研究并揭示了氧化物/金属界面剪切失效的微观机制是由界面失配位错主导。创新性地表征了氧化铝薄膜/镍基底界面损伤与断裂性能的尺度效应:当氧化铝薄膜晶粒尺度从微米尺度减小到百纳米以下时,其与基底间的界面拉伸断裂能可减小近一半;而宏观界面强度可增加一倍多;当薄膜厚度从几十微米增加到几百微米,界面损伤速率增加,即界面断裂更趋向灾变脆断。更重要地,发现面内残余应力降低了界面强度。最后通过开展氧化物涂层(薄膜)/基底样品的高温热震循环实验,揭示了涂层及界面的实际断裂失效特征及应力机制:淬火热震后,应力为压应力,涂层越厚,压应力越大,从而厚涂层界面更易开裂失效,热震循环失效次数更少。这些结果为设计界面结构宏微观尺度、提高相关部件界面可靠性提供了重要依据。

项目成果

期刊论文数量(10)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(12)
专利数量(0)
Determination of the interface properties in an elastic film/substrate system
弹性薄膜/基材系统界面特性的测定
  • DOI:
    10.1016/j.ijsolstr.2020.01.003
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    International Journal of Solids and Structures
  • 影响因子:
    3.6
  • 作者:
    Yin H. B.;Liang L. H.;Wei Y. G.;Peng Z. L.;Chen S. H.
  • 通讯作者:
    Chen S. H.
A rigorous analytical solution of interfacial stresses and overall stiffness of beam structures bonded with partially covered plates
与部分覆盖板粘合的梁结构的界面应力和整体刚度的严格分析解决方案
  • DOI:
    10.1016/j.ijmecsci.2019.105284
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    International Journal of Mechanical Science
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    H. Long;Y. Wei;L. H. Liang
  • 通讯作者:
    L. H. Liang
Microstructure observation and nanoindentation size effect characterization for micro-/nano-grain TBCs
微米/纳米晶热障涂层的微观结构观察和纳米压痕尺寸效应表征
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    Coatings
  • 影响因子:
    3.4
  • 作者:
    H. Liu;Y. Wei;L. H. Liang;Y. Wang;J. Song;H.Long;Y. Liu
  • 通讯作者:
    Y. Liu
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
Failure characterization of solid structures based on an equivalence of cohesive zone model
基于等效内聚区模型的固体结构失效表征
  • DOI:
    10.1016/j.ijsolstr.2019.01.008
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    International Journal of Solids and Structures
  • 影响因子:
    3.6
  • 作者:
    H. Long;L. H. Liang;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
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
纳米结构热障涂层的损伤灾变实验及机理研究
  • 批准号:
    11672296
  • 批准年份:
    2016
  • 资助金额:
    82.0 万元
  • 项目类别:
    面上项目

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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

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          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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