陶瓷材料高溫強(qiáng)度與抗熱沖擊性能及其表征方法研究.pdf

1、高溫結(jié)構(gòu)陶瓷材料因其優(yōu)異的力學(xué)、熱學(xué)等性能而被廣泛應(yīng)用于航空航天等各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。在高溫結(jié)構(gòu)陶瓷材料體系中，超高溫陶瓷材料吸引了最為廣泛的關(guān)注。超高溫陶瓷是以ZrB2、TaC、HfN、HfB2、ZrC等高熔點(diǎn)(3000℃以上)過(guò)渡金屬化合物為主的復(fù)合陶瓷體系，具有很好的化學(xué)和物理穩(wěn)定性，在超高溫度環(huán)境(2000℃以上)和有氧氣氛等苛刻環(huán)境條件下仍能照常使用，是難熔金屬、C/C(C/SiC)的最佳替代者，是超高溫領(lǐng)域最有前途的材料。研究表明

2、添加增強(qiáng)相是提高超高溫陶瓷材料力學(xué)性能和抗氧化性能最有前途的手段。顆粒增強(qiáng)超高溫陶瓷基復(fù)合材料因其具有的高熔點(diǎn)、高硬度、高導(dǎo)熱率、優(yōu)異的高溫強(qiáng)度、韌性及抗氧化性能等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于高超音速飛行器的鼻椎、翼前緣等關(guān)鍵部位。對(duì)于應(yīng)用于高溫領(lǐng)域的陶瓷材料，其在使役歷程中往往遭受復(fù)雜的高溫及氧化環(huán)境，溫度變化幅度大，且常常伴隨急劇的升溫和降溫過(guò)程，這就對(duì)其高溫強(qiáng)度及抗熱沖擊性能提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。如何表征及提高陶瓷材料的高溫強(qiáng)度及抗熱沖擊性能一

3、直是高溫結(jié)構(gòu)陶瓷領(lǐng)域研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)；研究其在復(fù)雜高溫環(huán)境下的漸進(jìn)損傷與失效機(jī)理，并建立相應(yīng)的具有深刻物理背景的可考慮使役環(huán)境影響的表征模型，具有十分重要的理論意義及工程應(yīng)用背景。本文采用理論表征及試驗(yàn)測(cè)試分析等手段，開(kāi)展了以下研究工作：
　?、僭诳煽紤]熱能與應(yīng)變能對(duì)材料斷裂影響的建模思想以及經(jīng)典的斷裂理論的基礎(chǔ)上，建立了陶瓷材料溫度相關(guān)性斷裂表面能模型。基于該溫度相關(guān)性斷裂表面能模型及斷裂力學(xué)理論，建立了顆粒增強(qiáng)超高溫陶瓷基復(fù)合

4、材料溫度相關(guān)性斷裂強(qiáng)度模型。該模型考慮了溫度、溫度相關(guān)性殘余熱應(yīng)力、晶粒尺寸及缺陷尺寸的共同影響，且無(wú)需任何擬合參數(shù)。對(duì)于材料中缺陷尺寸隨溫度演化比較敏感的材料，模型中進(jìn)一步引入了溫度相關(guān)性缺陷尺寸的影響。利用所建模型，對(duì)一些材料的高溫強(qiáng)度進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明模型預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值取得了非常好的一致性。所建的模型提供了一種有效的預(yù)測(cè)材料溫度相關(guān)性臨界缺陷尺寸的手段，有助于我們確定不同溫度下控制材料強(qiáng)度的主要機(jī)制。利用

5、所建模型，系統(tǒng)研究了不同的影響機(jī)制對(duì)材料斷裂強(qiáng)度的影響及其隨溫度的演化規(guī)律，進(jìn)一步為提高材料高溫強(qiáng)度、應(yīng)用可靠性提供了指導(dǎo)及可能的途徑。
　?、谠趯?duì)超高溫陶瓷基復(fù)合材料高溫氧化機(jī)制研究的基礎(chǔ)上，建立了可表征碳化硅耗盡層產(chǎn)生過(guò)程中微觀結(jié)構(gòu)演化的理論模型，進(jìn)一步通過(guò)研究陶瓷材料在低溫及高溫下的斷裂機(jī)制，建立了可計(jì)及氧化溫度、時(shí)間及相變等因素影響的碳化硅耗盡層的熱-損傷斷裂強(qiáng)度模型。利用該模型，研究了在不同氧化階段碳化硅耗盡層的斷裂強(qiáng)度

6、，進(jìn)一步系統(tǒng)分析了各種控制機(jī)制對(duì)該層斷裂強(qiáng)度的影響。研究結(jié)果揭示了碳化硅耗盡層損傷演化規(guī)律和斷裂強(qiáng)度衰減規(guī)律，分析了其失效機(jī)理。
　?、垩芯苛瞬煌鋮s介質(zhì)溫度對(duì)陶瓷材料降溫抗熱沖擊性能試驗(yàn)表征結(jié)果的影響。研究結(jié)果表明，陶瓷材料熱沖擊行為對(duì)冷卻介質(zhì)溫度非常敏感，其在室溫附近時(shí)都有明顯差異。因此在利用淬火試驗(yàn)表征陶瓷材料的降溫抗熱沖擊性能時(shí)必須計(jì)及冷卻介質(zhì)溫度的影響。水溫越高，ZrO2(3Y)降溫抗熱沖擊性能不一定越好。這表明了目前普

7、遍認(rèn)為的水溫越高材料抗熱沖擊性能越好的結(jié)論并非普適的，揭示了以前的研究結(jié)果存在的片面性。當(dāng)降溫?zé)釠_擊溫差在熱沖擊試件臨界斷裂溫差附近時(shí)，使熱沖擊溫差改變很小的量，就可導(dǎo)致熱沖擊試件剩余強(qiáng)度發(fā)生很大的變化。因此，我們認(rèn)為熱沖擊試件剩余強(qiáng)度對(duì)臨界斷裂溫差附近的熱沖擊溫差太敏感，不適合用臨界斷裂溫差去表征材料的降溫抗熱沖擊性能。
　?、芡ㄟ^(guò)對(duì)現(xiàn)有的降溫?zé)釠_擊裝置進(jìn)行改裝，設(shè)計(jì)研制出了一套簡(jiǎn)易且能有效完成陶瓷材料升溫?zé)釠_擊試驗(yàn)的裝置。該試

8、驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)使陶瓷試件從低溫環(huán)境下瞬間自動(dòng)進(jìn)入一個(gè)可精確控制目標(biāo)溫度的高溫環(huán)境中，完成升溫?zé)釠_擊。該設(shè)計(jì)方法很好的解決了目前對(duì)于陶瓷材料升溫?zé)釠_擊試驗(yàn)方法中存在的試件表面加熱不均勻以及目標(biāo)溫度難以控制的問(wèn)題。利用上述研制的升溫?zé)釠_擊試驗(yàn)裝置，開(kāi)展了陶瓷材料一系列的升溫?zé)釠_擊試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了不同熱沖擊目標(biāo)溫度及試件尺寸對(duì)升溫?zé)釠_擊行為的影響。研究結(jié)果表明此方法很好的實(shí)現(xiàn)了升溫?zé)釠_擊過(guò)程，在升溫?zé)釠_擊試件內(nèi)部沖出了理想的損傷，且試件表面無(wú)可視