高温热冲击下陶瓷材料的动态裂纹扩展与失效机理

Ceramics are suitable for high temperature applications, especially for aerospace materials. However, compared to the high melting point, corrosion resistance, wear resistance and high-temperature stability, ceramics are intrinsic brittle and prone to experience thermal shock failure and can lead to sudden catastrophic accidents. This project mainly focuses on the high-temperature ceramics subjected to drastic temperature change in service conditions, and studies the dynamic crack propagation mechanism. By developing the in-situ synchronous dynamic measurement methods for both termperature field and deformation field, the dynamic crack propagating law and failure modes of ceramics are explored when subjected to partial high-speed thermal shock in extreme environments. On this basis, by combining the theoretical with numerical methods, we will analyze the stress field, thermal-structural coupling mechanism and the crack path selection to eatablish a relationship between temperature and dynamic crack patterns, and put forward the overall failure criterion at different temperatures. The evaluation of the thermal shock resistance provides the theoretical basis for the design and manufacture of aerospace-related materials.

陶瓷因具有高熔点、耐腐蚀、耐磨损和高温稳定性等优点而成为航空航天领域最具前景的候选材料之一。但是陶瓷本征脆性，在高温极端环境下，易发生热冲击失效并导致结构发生突发的灾难性事故。本项目以航空航天工业中的耐高温陶瓷材料为研究对象，以动态裂纹扩展机理为研究着力点，通过发展高温环境下变形场、温度场的动态在线同步测量方法，探索极端环境下材料受到局部高速热冲击时的动态裂纹扩展规律和破坏形式。在此基础上，结合理论和数值计算方法，分析高温复杂环境下陶瓷材料的应力场、热力耦合机制及裂纹路径选择，从理论上构建温度与动态裂纹扩展几何形态的关系，提出不同温度条件下的整体失效判据，实现材料在极端环境下的抗热冲击性能的评估，为航空航天工业相关材料的设计和制造提供基础理论。

陶瓷因具有高熔点、耐腐蚀、耐磨损和高温稳定性等优点而成为航空航天领域最具前景的候选材料之一。本项目以航空航天工业中的耐高温陶瓷材料为研究对象，通过发展高温环境下变形场、温度场的动态在线同步测量技术，结合理论和数值计算方法，探索了极端环境下材料受到局部高速热冲击时的动态裂纹扩展规律和破坏形式，从而对材料在极端环境下的抗热冲击性能进行了评估。在具体研究的过程中，通过试制温度场、变形场同步测量平台和气动光学校正平台等高温力学测量平台，基于数字梯度传感法在测量中实现了去除空气扰动的效果；通过基于陶瓷烧结的散斑制作方法和基于特征点的高温变形测量方法，并开发了一种用于超高速流动中的原位观测和测量的光电系统，获得了更准确的结果；通过发展通过微结构、止裂块等调控试件抗热冲击性的方法，对传统的氧化铝陶瓷材料使用金属有机框架的纳米结构保形涂层，实现了材料抗热冲击性能的增强；通过发展基于等效夹杂理论和经典断裂力学的理论分析方法、模拟宏观动态裂纹扩展的有效XFEM方法，结合热冲击下裂纹的动态扩展特殊规律和破坏形式，探索适合高速热冲击的温度相关的裂纹扩展机制、失效判据和断裂理论，对材料在极端环境下的抗热冲击性能进行评估；此外，在项目研究基础上进行了合理拓展，针对抗热冲击性能较好（高温环境下难以发生热冲击断裂）的材料，开展了持续热冲击下的氧化烧蚀机制和形貌演化的研究，包括高温热烧蚀过程中SiC材料的表面形貌原位实时测试及演化机制分析、高温烧蚀环境下的C/SiC复合材料的特征结构的形成机制、高温气流平板烧蚀的原位可视化测量等。