ZrB2基超高温陶瓷高温本构关系及断裂行为研究

摘要

ZrB2基超高温陶瓷材料具有高熔点、高热导率和高强度等优点，已经成为高温陶瓷基复合材料中的佼佼者，也是应用于飞行器等热结构关键部位的首选材料。鉴于超高温陶瓷材料的本征脆性与高温、高速应用环境，其高温力学行为与动态性能研究工作需要深入开展，同时高温破坏机制分析也是超高温陶瓷材料应用的重要前提。
　　本文针对ZrB2-SiC-G超高温陶瓷复合材料，研究温度与应变率对材料力学行为的影响规律，从高温力学实验、动态压缩实验、破坏机理分析、本构模型建立及抗热冲击性能分析五个方面展开研究，为高温、高速条件下 ZrB2基超高温陶瓷材料力学行为表征与失效分析奠定基础。
　　首先，通过室温及高温拉伸实验，研究了ZrB2-SiC-G复合材料的高温拉伸行为，获得了温度对拉伸模量、强度及本构关系非线性的影响规律。基于温度对弹性模量的衰减作用，提出材料热损伤变量形式；根据拉伸强度分散性统计分布规律，给出材料机械损伤变量形式，结合热和机械损伤演化方程，建立了超高温陶瓷材料的高温损伤本构模型，该模型可以预测材料的脆-韧转变温度及临界机械损伤值，揭示温度对 ZrB2-SiC-G复合材料破坏机理的影响。编制高温损伤本构模型子程序，计算不同温度下拉伸试件内部变形、应力及机械损伤分布情况，并与实验结果进行对比，验证其适用性。
　　其次，开展了室温及高温断裂韧性测试，获得温度对 ZrB2-SiC-G复合材料断裂韧性的影响规律，结合材料宏微观形貌，分析该规律的影响因素，结果表明温度对ZrB2-SiC-G复合材料的断裂行为影响显著，低于脆-韧转变温度时，材料表现出脆性断裂模式，高于脆-韧转变温度时，断裂模式以延性断裂为主。在室温至1300?C范围内残余应力释放导致断裂韧性逐渐降低，而在1300～1600?C之间裂纹尖端的塑性流动使断裂韧性有一小幅度回升，但当温度达到1800?C时，基体ZrB2颗粒尺寸增长导致材料内部出现孔洞及裂纹，明显降低材料断裂韧性。另外，800～1300?C有氧环境下，预氧化作用明显提高了ZrB2-SiC-G复合材料的断裂韧性。
　　此外，建立了无切口及单边切口梁有限元模型，应用高温损伤本构模型计算弯曲状态下 ZrB2-SiC-G材料内应力及机械损伤分布，分析了温度对材料缺陷敏感性的影响，结果显示：脆-韧转变温度以下，单边切口梁试件的机械损伤度明显小于无切口梁，而1400?C以上，单边切口梁试件的机械损伤度与无切口梁相近，说明高温时材料缺陷敏感降低，与高温强度分散性降低的实验结果一致。
　　开展了室温与800?C下静态与动态压缩实验，表明应变率对 ZrB2-SiC-G复合材料压缩力学性能的影响。结果显示室温与800?C下该材料均表现出明显的应变率效应。随着应变率升高，材料压缩强度逐渐升高，碎片尺寸逐渐减小。通过断口微观结构观测，讨论了应变率对 ZrB2-SiC-G复合材料破坏模式的影响。同时针对应变率对动态压缩强度和碎片尺寸的影响，分别采用理论模型进行分析，预测与实验结果基本吻合。
　　最后，考虑惯性项与耦合项影响，对 ZrB2-SiC-G复合材料的热冲击问题进行数值计算。根据试件尺寸及水淬实验条件，建立有限元模型，采用随温度变化的材料参数，计算了加热及冷却条件下，ZrB2-SiC-G复合材料的热应力。结果表明热冲击过程中惯性项作用远大于耦合项，随表面换热系数的增大，热应力不断增大，惯性项影响程度增强，400?C水淬条件下该材料的动态热应力最大值约为静态的1.33倍。结合动态压缩实验结果，可以选用热断裂准则来评价ZrB2-SiC-G复合材料的抗热冲击性能。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要研究内容

第2章 ZrB2基UHTC复合材料高温拉伸行为研究

2.1 引言

2.2 实验方法与结果分析

2.3 高温拉伸损伤本构模型

2.4 高温拉伸损伤行为数值模拟

2.5 本章小结

第3章 ZrB2基UHTC复合材料高温弯曲及断裂行为研究

3.1 引言

3.2 室温弯曲强度与模量测试

3.3 室温及高温断裂韧性测试

3.4 高温断裂韧性影响因素

3.5 超高温陶瓷高温弯曲及损伤数值模拟

3.6 本章小结

第4章 ZrB2基UHTC复合材料动态压缩行为研究

4.1 引言

4.2 超高温陶瓷材料单轴静态压缩

4.3 超高温陶瓷材料静态室温压缩模量

4.4 超高温陶瓷动态压缩性能

4.5 动态压缩损伤本构模型

4.6 本章小结

第5章 ZrB2基UHTC复合材料抗热冲击性能研究

5.1 引言

5.2 动态热弹性方程

5.3 热冲击有限元模拟

5.4 热冲击失效准则

5.5 本章小结

结论

本文的主要创新点如下：

还需要进一步开展的研究工作：

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及其它成果

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