基于仿生结构的新型陶瓷基点阵复合材料梯度结构的设计与力学行为研究

According to the key technology of thermal protection material for the furture hypersonic flight vehicle, the new lightweight, multifunctional materials should be developed to satisfy the hypersonic aircraft environmental requirements. This project will present a new concept of bionic gradient lattice ceramic composite structure. The heat transfer mechanism, macro-micro mechanical properties, structure configuration design and preparation technology of the C/SiC bionic gradient lattice ceramic composite structure will be studied. Based on the biological bionic principle, a innovation configuration of bionic gradient lattice ceramic composite structure is proposed and the the multifunctional (load/heat/light) integration design method is presented. The mechanical behaviors, the damage evolution and the failure feature are studied under the thermal-mechanical coupling load. The project will present high-tempeature mechanical model and provide a structure optimization criterion. The project belongs to a basic research work. The achievements provides an exploratory method for characterization the mechanical behavior and predicting the strength of bionic gradient lattice ceramic composite structure. In addition, this project provides a theoretical basis and technical reserves for the design and application of the new generation thermal protection structure for the furture hypersonic flight vehicle

针对我国未来新一代高超声速飞行器热防护材料的关键技术要求，发展适用于高超声速飞行器服役环境要求的轻质多功能防热材料与结构，提出陶瓷基仿生点阵复合材料梯度结构新概念，研究C/SiC仿生点阵复合材料梯度结构传热机理、宏微观力学性能、构型设计与制备技术。基于生物仿生原理，提出仿生点阵复合材料梯度结构的创新构型设计方案，发展仿生点阵复合材料梯度结构的多功能（承载/防热/轻质）一体化设计方法。重点研究力-热耦合环境下仿生点阵复合材料梯度结构的关键力学行为与失效机理，确定仿生点阵复合材料梯度结构高温力学性能与破坏特征测试方法，提出相应的高温力学理论模型与设计准则。本研究属于前沿性的基础研究，其研究成果一方面为力-热耦合下点阵复合材料梯度结构力学行为的表征和强度预测提供一种探索性的方法，同时也为新一代航天飞行器热防护结构的设计和应用提供了理论基础和技术储备。

本项目在陶瓷基梯度点阵复合材料的结构设计、制备工艺、传热机理、高温力学行为与失效机制等方面取得了创新性成果，对超高速飞行器新型热防护结构的工程应用具有重要的意义。主要表现在以下几方面：.1.针对高超声速飞行器所受非均匀载荷的特点，提出了兼具有点阵结构和梯度材料优点的点阵梯度结构的新概念，创新性地设计了两类点阵梯度新结构，显著提高了点阵结构的承载效率。.2.提出了基于陶瓷3D打印和浸渍裂解工艺相结合的陶瓷基点阵复合材料梯度结构制备新方法，成功实现了具有点阵梯度结构面板的新型陶瓷基TPS一体化热防护结构的制备，其防热效率和可靠性比金属TPS热防护结构有了显著的提升，有望应用于新一代高超声速飞行器热防护系统上。.3.建立了陶瓷基点阵复合材料梯度结构的传热理论，提出了传导、辐射、对流耦合条件下陶瓷基点阵复合材料梯度结构传热系数的计算模型，实现了陶瓷基梯度点阵复合材料热防护结构的设计与优化。.4.建立了热-力耦合下陶瓷基点阵复合材料梯度结构力学性能的预报模型和数值分析方法，给出了高温氧化和热处理对陶瓷基点阵复合材料结构力学性能的影响规律，揭示了陶瓷基点阵复合材料梯度结构微结构演化与高温失效机制。.上述研究成果已发表论文38篇，其中SCI收录36篇（中科院一区25篇），申请国家发明专利10项，获得国家级科研奖励1项，省部级科研奖励1项。项目执行过程中培养博士生20人(毕业6人)，参加国内外学术会议38次，与美国新奥尔良大学、加拿大阿尔伯塔大学、西安大略大学、葡萄牙波尔图大学建立了良好的合作关系，邀请国外教授讲座6次，与国外教授联合培养博士生1名。