高超声速飞行器陶瓷隔热瓦微结构设计方法及湿热交变环境下的失效机理研究

In this project, based on the designability of the microstructure of ceramic fiber porous thermal insulation tile, the influence on thermal properties and the laws of the thermal performance were discussed when considering its the three-dimensional spatial distribution characteristic parameters (content, scale, orientation and component properties). Furthermore the effect of microstructure parameters on mechanical property and thermal property was discussed. By combining material design theory and numerical optimization of porous media, a multi-objective optimization design method was proposed，whose model took on the feature like large-scale, multivariable and multconstraint. The density and thermal insulation performance of fiber insulation materials were used as optimization objects using ant colony system smart algorithm based on cloud model. Thus the optimal threshold range of important parameters such as fiber volume content, size distribution, orientation distribution and component properties were determined. On the other hand, an effective fiber contact criterion was put forward and the micromechanics model of porous ceramic fiber insulation tile was built. Considering the material nonlinearity effect caused by humidity and temperature gradient load conditions, the stress field and deformation field were simulated under hydrothermal abnormal environment by equivalent stiffness method. Then deformation behavior and its failure mechanism were analysed in order to set up a kind of failure criterion and assess the all-weather service life of ceramic fiber porous thermal insulation tile.

本项目从高超声速航天器陶瓷纤维隔热瓦的特征微结构入手，探讨纤维含量、结构尺度，纤维三维空间布局及组分特性等因素对陶瓷纤维隔热瓦力学性能和热学性能的影响规律，建立陶瓷隔热瓦的微结构定向设计方法，实现力学性能与热学性能的协调控制。再将材料设计理论与数值优化技术相结合，建立以陶瓷纤维隔热瓦密度和热导率为组合目标、多变量、多约束的大规模优化问题，采用云模型蚁群系统智能算法进行优化分析，获得纤维体积含量、纤维尺寸分布、取向分布状态和组分性质等重要参数的最优阈值范围，突破多孔纤维陶瓷连续体介质微结构设计关键技术。最后，创新性地提出纤维有效接触判据，建立多孔陶瓷纤维隔热瓦的细观力学结构模型，考虑湿度所导致的材料非线性效应以及温度梯度载荷条件，采用等效刚度法模拟隔热瓦在湿热交变超常服役环境下的应力场与变形场，分析其变形行为与失效机理，最终建立陶瓷隔热瓦在极端环境下的失效判据，完成其全天候服役寿命评估。

刚性陶瓷隔热瓦在航天工程中具有重大应用，是高超声速飞行器长期可靠服役的重要措施。陶瓷隔热瓦的力学性能和隔热性能均取决于材料基元、纤维取向、纤维搭接点的数量和烧结程度，因此，刚性陶瓷隔热瓦的微结构设计至关重要。另外，由于陶瓷隔热瓦多次可重用的客观需求，在复杂多变的再入环境下，探讨其力学性能和热学性能的演变规律，分析其在湿热交变环境下的失效机理，为多次可重复使用提供理论依据。本项目以刚性隔热陶瓷瓦为研究对象，研究其特征微结构的构建方法，分析交变载荷作用下材料力场的演化规律与失效机制。项目取得的重要结果如下：.（1）引入材料基因设计理念，获得了隔热材料纤维体积含量、纤维尺寸分布、取向分布状态和组分性质等重要参数的阈值范围，实现该类材料力学性能与热学性能的协调控制。从宏观层面，材料力学性能与表观密度正线性相关，与材料孔隙率负相关；从材料体系层面，引入Al2O3纤维会导致隔热瓦剪切强度先降后升，但可以提高其高温服役环境下的力学表现；从微结构层面，纤维取向程度对压缩和剪切性能影响均满足逻辑回归模型，是影响材料性能的主要因素，而纤维空间位置分布出现分层则会导致力学性能的显著降低。.（2）陶瓷纤维隔热瓦在成型过程中压力的作用下会形成IP和TT两个特征方向。采用X射线三维CT扫描方法对陶瓷纤维隔热瓦的微结构进行定量标定，获得纤维取向平均值及标准差。表征测试了陶瓷纤维隔热瓦的压缩和剪切力学性能，获得不同特征方向的实测数据。结果表明：隔热瓦压缩行为存在明显屈服平台，而剪切行为则表现为脆性瞬间破坏。.（3）基于欧拉-伯努利小变形梁理论，建立纤维多孔防隔热材料相互固支连接梁系结构的细观力学模型，提出纤维有效接触判据，建立了计算3D脆性随机纤维网络材料的有限元代表性体积单元(RVE)模型，考虑陶瓷纤维隔热瓦变形过程中的多纤维接触效应产生的二次约束，提出了一种等效刚度处理方法，实现加载过程接触模拟，取得与实验结果一致的应力应变曲线。