先进高温材料强度和抗热震性能研究

摘要

先进材料是指新近发展或正在发展之中的具有比传统材料性能更为优异的一类材料。目前，先进材料广泛应用于国防建设中，并服役于高温环境，其服役安全性是亟待解决的一个关键问题，研究这些材料的高温热学和力学性能对此十分重要。本文根据三类先进材料的研究现状，并结合各个科学问题的特点，采用理论、数值和试验方法研究了化学气相沉积硫化锌（CVD ZnS），超高温陶瓷材料（UHTCs）和单晶材料的高温强度和抗热震性能，主要开展工作如下：
　　①通过在常规韧性材料拉伸夹具基础上做改进，提出了一套操作简单、加工方便、经济的脆性材料单轴直接拉伸强度测试装置。测试装置及测试方法的有效性通过测试的室温CVD ZnS单拉强度与三点弯强度的比值与文献中报道的其它脆性材料的比值相近，且测得的单拉强度和三点弯强度服从Weibull统计分布进行了验证。此外，为了设计和评估CVD ZnS头罩和侧窗，还测试了从室温到600 ℃的直接单拉强度和单轴压缩强度，并通过宏微观分析得到了CVD ZnS的拉伸和压缩失效机理和失效模式。
　　②从临界失效能密度准则和临界应变准则出发建立了立方单晶和六方单晶的温度相关性理想拉伸强度模型，从而将单晶材料的温度相关性理想拉伸强度和温度相关性弹性性质，定压比热容（临界失效能密度准则）和线热膨胀系数（临界应变准则）联系了起来，进而将参考温度下的理想拉伸强度外推到其它温度。从理论上研究了立方单晶（W、Al和Fe）和六方单晶（ZrB2、HfB2和TiB2）的温度相关性理想拉伸强度，特别地，Al是从绝对零度到材料熔点的。计算结果和第一性原理（AI）、分子动力学（MD）和AI MD方法的结果进行了比较，通过理论分析说明了所建模型在预测单晶材料理想拉伸强度时的合理性，且说明了立方单晶和六方单晶的高温失效准则均为应变控制的。
　　③成功地将半无限大体的瞬态温度解答应用到了 UHTC薄板单一热环境下热冲击瞬态温度分布的计算中，并从热弹性理论出发推导了自由薄板的温度相关性热应力场模型，从而建立了单一热环境下UHTCs的温度相关性热冲击模型。对于复合热环境，根据有限体积法，推导得到了对流冷却情形下 UHTC热防护系统的抗热震性能计算模型。所建模型的有效性均通过与有限元计算结果的对比进行了验证。详细研究了气动热环境和对流热环境下UHTCs的抗热震性能，定义了第一、二和三类热的边界条件下的传热条件，应用传热条件的概念得到了陶瓷材料不同热环境下的统一抗热震性能基本规律，并提出了临界传热条件来表征陶瓷材料的抗热震性能。传热条件和临界传热条件间的关系类似于应力和强度间的关系。临界传热条件强调的是材料永不发生热冲击失效，故临界传热条件不但可用于表征材料的抗热震性能，还可用于工程设计中作为安全设计参数。对 UHTC热防护系统抗热震性能的研究表明，对流冷却可提高UHTC热防护系统的抗升温热震性能，但同时可能引入新的降温热冲击，为了确保对流冷却不会引起薄板的失效，对流冷却时的传热条件应小于相应的临界传热条件。
　　④用理论和有限元数值模拟的方法详细研究了第一、二和三类热边条下工程中常见的9类约束方式和薄板面内几何形状对陶瓷构件抗热震性能的影响，给出了这9类约束方式的抗热震性能的排序和如何通过避免薄板面内几何形状和约束条件的非对称性来提高陶瓷构件的抗热震性能。

目录

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英文摘要

目录

1 绪 论

1.1 先进材料

1.2 科学问题

1.3 文本的主要工作

2 CVD ZnS陶瓷高温拉伸和压缩强度研究

2.1 真空（惰性）气氛超高温力学性能测试系统

2.2 CVD ZnS陶瓷高温拉伸强度

2.3 CVD ZnS陶瓷高温压缩强度

2.4 本章小结

3 单晶材料温度相关性理想拉伸强度

3.1 单晶材料的失效模式

3.2 立方单晶的温度相关性理想拉伸强度

3.3 六方单晶的温度相关性理想拉伸强度

3.4 本章小结

4 不同热环境下UHTCs的抗热震性能研究

4.1 气动热环境下UHTCs的抗热震性能

4.2 对流热环境下UHTCs的抗热震性能

4.3 传热条件和临界传热条件

4.4 主动冷却情形下UHTC热防护系统的抗热震性能

4.5 本章小结

5 约束方式和面内几何形状对陶瓷构件抗热震性能的影响

5.1 约束方式对陶瓷构件抗热震性能的影响

5.2 面内几何形状对陶瓷构件抗热震性能的影响

5.3 本章小结

6 全文总结

致谢

参考文献

附录

A. 临界应变准则参数化处理

B. 立方晶体等效弹性性质

C. 临界传热条件的计算

D. 一维瞬态热传导问题的FVM模型的推导

E. 攻读博士学位期间发表的论文