计及使役环境的高温陶瓷材料抗热震性能及表征方法研究

摘要

高温陶瓷材料以其具有的良好化学和物理稳定性，在高温环境有氧气氛等苛刻环境条件下仍能照常使用，是高温领域最有前途的材料之一。作为热防护材料的高温陶瓷材料由于其使役环境的复杂性，整个使役历程温度变化幅度大，不同区域热环境差异较大，且作为结构的一部分受到结构其它部分的约束作用，致使其在使役历程中表现出的抗热震性能不再是单纯的材料本身的抗热震性能，而已有抗热震性能评价体系往往忽略了热环境、外界约束、热/力损伤等因素的耦合影响，因此迫切需要建立计及使役环境且可以更好揭示影响高温陶瓷材料抗热震性能机理的表征方法。本文采用理论分析、有限元模拟和实验相结合的方法，对不同使役环境下高温陶瓷材料及其结构的热冲击破坏行为及其表征方法开展了以下研究：
　　①基于高温陶瓷材料的热物理性能参数对温度的敏感性及其服役热环境的复杂性，建立了适用于降温、升温以及主动冷却等不同热冲击服役环境的可考虑损伤及其演化等因素影响的抗热震性能热-损伤表征模型，研究了不同热冲击环境、损伤及其演化对其抗热震性能的影响，并从材料微结构设计角度提出了提高陶瓷材料抗热震性能的方法。考虑到高温陶瓷热防护材料的复杂使役环境，其抗热震性能是材料本身力学、热学性能在各种受热及其外界约束条件的综合表现，建立了可考虑外界约束以及热环境共同影响的高温陶瓷热防护材料抗热震性能理论与数值模拟模型，系统研究了外界约束、热环境等因素对材料抗热震性能的影响，进而从结构设计方面提出了可改善陶瓷热防护材料抗热震性能的措施。此外，采用实验与数值模拟相结合的方法首次研究了淬火剩余强度实验过程中试件进入冷却介质姿势对陶瓷材料热冲击行为以及表征结果的影响。
　　②以氧化铝陶瓷材料为例，通过不同温度下的三点弯强度实验，研究了热震损伤在不同温度下对其断裂行为的影响，分析了材料强度对热震损伤敏感性随温度演化的内在机理及其对表征不同使役环境下材料抗热震性能的影响。进一步系统研究了不同损伤形式（表面裂纹、划痕等）在不同温度下对脆性材料（氧化锆（ZrO2）、钠钙玻璃）断裂行为的影响，分析了不同温度下损伤对材料破坏行为的影响规律，为更合理表征不同使役环境下材料的抗热震性能打下了基础，同时也为不同温度下含缺陷的高温陶瓷构件的可靠性评价提供了更合理途径。
　　③基于能量法推导了含有微裂纹损伤的高温陶瓷材料温度相关性本构关系，根据材料温度相关性强度模型以及断裂能量平衡准则推导了裂纹扩展的温度相关性临界能量释放率。利用所得的本构关系、温度相关性临界能量释放率采用有限元数值模拟的方法，对Al2O3陶瓷以及ZrB2基高温陶瓷在不同初始温度下的热冲击行为进行了模拟，明确了裂纹扩展判据的温度相关性对陶瓷材料热冲击行为的评价以及数值模拟结果合理性的重要影响，且首次在数值模拟中考虑了热冲击过程中裂纹的演化与材料传热性能间的相互作用。基于Mori-Tanaka方法，针对高温陶瓷材料SiC耗尽层建立了考虑氧化、微裂纹损伤等影响的温度相关性本构模型，并采用UMAT子程序将之应用于有限元数值模拟；进一步研究了氧化损伤对高温陶瓷材料抗热冲击行为及强度的影响。

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1 绪 论

1.1 研究背景及概念

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要研究内容

2 高温陶瓷材料的抗热震性能表征方法研究

2.1 高温陶瓷材料抗热震性能的热-损伤理论表征模型

2.2 考虑外界约束及热环境共同影响的高温陶瓷材料抗热震性能理论与数值模拟研究

2.3 试件进入冷却介质姿势对试验表征陶瓷材料抗热震性能的影响

2.4 本章小结

3 不同温度下损伤形式对表征抗热震性能参量影响的研究

3.1不同温度下热震损伤对氧化铝陶瓷弯曲强度的影响

3.2不同温度下表面缺陷对氧化锆陶瓷材料弯曲强度的影响

3.3 不同温度下表面裂纹对钠钙玻璃强度及断裂行为影响的试验研究

3.4 本章小结

4 高温陶瓷材料考虑热/力损伤的热冲击行为数值模拟研究

4.1高温陶瓷材料考虑微裂纹损伤影响的温度相关性本构模型

4.2 考虑温度影响的临界能量释放率的推导

4.3 计算结果与讨论

4.4 本章小结

5 氧化损伤对SiC颗粒增强的高温陶瓷材料力学性能以及热冲击行为的影响研究

5.1 SiC耗尽层的形成以及氧化过程中材料各组分的体积变化

5.2 ZrB2/SiC高温陶瓷氧化过程中SiC耗尽层的本构关系推导

5.3 ZrB2/SiC高温陶瓷氧化过程中SiC耗尽层的本构关系的增量形式及损伤演化

5.4 计算结果与讨论

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1总结

6.2展望

致谢

参考文献

附录 攻读博士学位期间发表的学术论文