陶瓷材料抗热震性表征理论及测试方法研究

High-temperature thermal shock of ceramics is a hot and difficult issue in thermal protection technique of aerospace industry. However, it involves a lot of complicated problems, such as high-temperature thermal-mechanical coupling, impact, fracture, material microstructure and temperature-dependent material constants, so further investigations on both of the corresponding theories and measurement techniques are needed. At the same time, the lack of measurement technique strongly frustrates the development of theory and computational method. The aim of the project is to investigate representation method of thermal shock resistance and measurement technique. The research focus on the investigation on the assessment method of thermal shock resistance based on image analysis technique, the simulation method of thermal shock and the improvement method of thermal shock resistance by means of microstructure and boundary conditions. The achievement of this project will greatly enhance the development of the thermal protection technique of hypersonic aircraft in our country.

陶瓷材料的高温热冲击问题是现代航空航天飞行器热防护技术中的研究热点。由于其涉及高温热力耦合、冲击、断裂、材料微结构、材料性能温度相关等诸复杂因素，相关测试方法、基本理论和计算方法尚不成熟，尤其是测试方法的落后严重制约了理论和计算方法的发展。本项目以陶瓷材料高温抗热震性能的准确表征和测试方法为目标。建立以裂纹动态扩展特征和实时温度为参量的抗热震性评价理论，发展基于图像处理技术的高温热冲击下裂纹扩展与温度场同步动态测试方法，开发相应的测试系统；研究材料抗热震性能测试评价方法；探索通过改变材料微结构和边界条件以增强结构抗热震性的方法。本项目对我国超高声速飞行器热防护技术的发展具有极其重要的意义。

陶瓷材料的高温热冲击问题是现代航空航天飞行器热防护技术中的研究热点，材料高温力学性能、强度理论、高温环境下结构温度场和变形场在线测试技术、热力耦合问题和微结构对材料抗热震性能的影响等的研究具有极其重要的科学意义。本项目对材料温度相关的力学性能以及在高温环境下的强度理论进行了理论研究，得到了温度相关的弹性模量理论和具有普遍意义的温度相关的强度理论，并对理论预测方法进行了验证。采用非接触式光学和图像处理方法，研究了高温复杂环境下温度场和变形场的在线测试技术，并建立了温度场和变形场同步测量装置。研究了含裂纹均质材料的稳态热传导问题，得到了基于相互积分的裂纹尖端热流强度因子的计算方法，以及求解含裂纹结构的热传导问题的扩展有限单元法。针对含界面裂纹多层结构的热传导问题，考虑界面裂纹面处温度的不连续性、裂尖附近热流的奇异性、界面处材料性能的不连续性，提出了求解含界面裂纹热力耦合问题的扩展有限单元法；建立了用于计算界面裂纹尖端附近热流强度因子的相互作用积分以及热应力强度因子的计算方法。针对承受瞬态热流载荷的高温结构材料，考虑裂纹尖端附近的瞬态奇异热流，定义了瞬态热流强度因子，给出瞬态JT积分并证明其积分的路径无关性，通过引入已知的辅助温度场，建立了用于提取瞬态热流强度因子的相互作用积分，并给出计算瞬态热流强度因子的计算方案。针对热障涂层结构，采用数值模拟方法模拟研究了涂层结构参数对抗热障性能的影响。本项目研究工作和成果对我国超高声速飞行器热防护技术的发展具有重要的理论意义。