陶瓷基复合材料的高温断裂强度及理论表征方法研究

来源 :重庆大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:qingfeng112233
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航空、航天、核能、石油化工等高端技术领域对一个国家的装备制造、军事安全和国际话语权至关重要,其发展程度是衡量一个国家工业水平、国防实力及综合国力的重要标志。陶瓷基复合材料因具有高熔点、良好的高温强度保持率和优异的抗氧化和抗烧蚀能力等,被广泛应用于以上领域,如高超声速飞行器的热防护系统、发动机的高温结构部件及核聚变反应堆的关键部位等多个方面。陶瓷基复合材料在使役过程中常常面临复杂的高温环境,如若发生破坏,往往会带来难以预估的灾难性后果。所以弄清陶瓷基复合材料在使役过程中的失效机理,充分认识控制其断裂强度的各影响因素随温度的演化规律和机制转变,合理有效地表征断裂强度与使役温度之间的关系是提高陶瓷基复合材料安全性和可靠性的关键,更是材料设计、制备和应用中必须解决的基础问题之一,具有非常重要的科学意义和工程应用价值。本文基于力热能量密度等效原理,针对陶瓷基复合材料高温断裂强度及理论表征方法开展了以下研究工作:(1)考虑断裂纤维的承载能力及其随温度的演化,建立了单向陶瓷纤维增强陶瓷基复合材料温度相关性拉伸断裂强度模型,模型预测结果与可获取的实验结果取得了很好的一致性。进一步,利用所建立的单向陶瓷纤维增强陶瓷基复合材料温度相关性拉伸断裂强度模型,分析了断裂纤维贡献和纤维杨氏模量在不同温度下对材料拉伸断裂强度的定量影响,为其在高温下的设计、制造和应用提供了理论依据和指导。(2)基于热能与原子势能和动能之间的关系,针对超高温陶瓷基复合材料建立了计及熔化热的温度相关性断裂强度模型,模型预测结果与实验结果取得了很好的一致性。模型无需拟合参数,揭示了不同温度下断裂强度与任意一个参考温度下的断裂强度、熔化热、熔点、热膨胀系数和杨氏模量之间的内在联系。所有材料参数均可方便地从材料手册或文献中获取,为预测超高温陶瓷基复合材料在不同温度下的断裂强度提供了一种简单方便的有效方法,避免了大量高温试验的开展。(3)基于力热能量密度等效原理,建立了无需拟合参数的超高温陶瓷基复合材料温度相关性断裂韧性理论表征模型。进一步,结合Griffith断裂理论并考虑相关参数的温度相关性,针对超高温陶瓷基复合材料建立了计及损伤和残余热应力及其随温度演化的热损伤断裂强度理论表征模型,并得到实验结果的很好验证。基于此模型分别给出了Zr B2-Si C材料在氩气和空气中临界裂纹尺寸的合理定义,并分析了裂纹尺寸对复合材料温度相关性断裂强度的定量影响,为进一步提高超高温陶瓷复合材料的断裂强度提供了理论支撑。
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