热防护超高温陶瓷的高温热/力耦合特性与破坏及其机理研究

对于发展近空间高超声速远程机动飞行器对热防护材料提出的严峻挑战，尤其对热/力耦合下其超高温强韧性能的苛刻要求，针对非烧蚀型超高温陶瓷热防护材料，开展其本构特性、强韧性及破坏机理的研究。基于目前高温强度理论缺乏且实验难于测试的现状及当前对其获取的重大需求,在理论、实验、模拟和利用工业CT对不同温度下超高温陶瓷材料微结构及其演化精确定量分析的基础上，研究控制超高温陶瓷材料高温强度的各种机制及其演化，建立其高温强度模型与评价方法，以此为基础提出一种简单有效的高温强度获取技术；基于微结构分析和多相复合强韧化设计的思路研究提高超高温陶瓷材料高温强度的有效方法。在热防护超高温陶瓷材料的高温特性、本构模型、破坏判据、强韧化理论及微结构构造与控制等方面提出相应的创新理论。为超高温条件下相关结构的响应特性与失效分析提供基础和依据。为我国未来近空间高超声速远程机动飞行器的发展奠定技术创新的基础做出贡献。

本项目基于发展近空间高超声速远程机动飞行器对热防护材料提出的严峻挑战，尤其对热/力耦合下其超高温强韧性能的苛刻要求，针对非烧蚀型超高温陶瓷热防护材料，开展了其本构特性、强韧性、抗热震性能及破坏机理的研究，达到了预期的研究目标。对超高温陶瓷材料在不同热环境下进行了热冲击实验研究，并对试件内部微结构演化及其破坏机理进行了研究分析。开展了超高温陶瓷热防护材料的传热理论研究，建立了考虑接触热阻影响两相固相多孔材料的等效热导率模型。开展了超高温陶瓷材料高温强度评价方法与获取技术的研究，提出了一种简单有效的高温强度获取技术；研究了控制超高温陶瓷材料强度的主要机理及其随温度变化时的演化规律，建立了能揭示其物理机理及其演化规律的温度相关性强度理论模型，深入研究了不同温度下残余热应力、晶粒尺寸、添加物体积分数、裂纹尺寸与形状、氧化及损伤演化模式等对热/力耦合下其超高温强韧性能的影响。基于微结构分析和多相复合强韧化设计的思路研究并提出了提高超高温陶瓷材料高温强度的有效方法。开展了适用于超高温陶瓷材料抗热震性能的热-损伤表征方法研究，建立了考虑热环境、残余热应力及损伤影响的抗热震性能表征模型，详细研究了微裂纹尺寸、密度、损伤演化模式及温度等对超高温陶瓷材料抗热震性能的影响；开展了考虑热环境与外界约束共同影响的超高温陶瓷材料抗热震性能的理论表征与数值模拟方法研究，并建立了适用于不同服役历程的超高温陶瓷材料抗热震性能的表征理论和方法，对三类热边界条件下抗热震性能分别进行了研究，并创造性地引入极限传热条件表征超高温陶瓷材料的抗热震性能，提出了提高超高温陶瓷材料抗热震性能的优化设计方法。开展了考虑超高温陶瓷材料热物理性能温度相关性的J积分修正及热震残余强度表征的研究工作。与试验厂家一起联合研制并建立了高温环境及高温材料拉压变形测试系统。本项目的实施为超高温陶瓷材料在近空间高超声速远程机动飞行器领域的应用提供了理论基础和技术储备，为超高温条件下相关结构的响应特性与失效分析提供了基础和依据，为我国未来近空间高超声速远程机动飞行器的发展奠定了技术创新的基础。