本文選題：高溫陶瓷 + 抗熱震性能　； 參考：《重慶大學(xué)》2015年博士論文

【摘要】：高溫陶瓷材料以其具有的良好化學(xué)和物理穩(wěn)定性,在高溫環(huán)境有氧氣氛等苛刻環(huán)境條件下仍能照常使用,是高溫領(lǐng)域最有前途的材料之一。作為熱防護(hù)材料的高溫陶瓷材料由于其使役環(huán)境的復(fù)雜性,整個(gè)使役歷程溫度變化幅度大,不同區(qū)域熱環(huán)境差異較大,且作為結(jié)構(gòu)的一部分受到結(jié)構(gòu)其它部分的約束作用,致使其在使役歷程中表現(xiàn)出的抗熱震性能不再是單純的材料本身的抗熱震性能,而已有抗熱震性能評(píng)價(jià)體系往往忽略了熱環(huán)境、外界約束、熱/力損傷等因素的耦合影響,因此迫切需要建立計(jì)及使役環(huán)境且可以更好揭示影響高溫陶瓷材料抗熱震性能機(jī)理的表征方法。本文采用理論分析、有限元模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法,對(duì)不同使役環(huán)境下高溫陶瓷材料及其結(jié)構(gòu)的熱沖擊破壞行為及其表征方法開(kāi)展了以下研究:①基于高溫陶瓷材料的熱物理性能參數(shù)對(duì)溫度的敏感性及其服役熱環(huán)境的復(fù)雜性,建立了適用于降溫、升溫以及主動(dòng)冷卻等不同熱沖擊服役環(huán)境的可考慮損傷及其演化等因素影響的抗熱震性能熱-損傷表征模型,研究了不同熱沖擊環(huán)境、損傷及其演化對(duì)其抗熱震性能的影響,并從材料微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度提出了提高陶瓷材料抗熱震性能的方法�？紤]到高溫陶瓷熱防護(hù)材料的復(fù)雜使役環(huán)境,其抗熱震性能是材料本身力學(xué)、熱學(xué)性能在各種受熱及其外界約束條件的綜合表現(xiàn),建立了可考慮外界約束以及熱環(huán)境共同影響的高溫陶瓷熱防護(hù)材料抗熱震性能理論與數(shù)值模擬模型,系統(tǒng)研究了外界約束、熱環(huán)境等因素對(duì)材料抗熱震性能的影響,進(jìn)而從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面提出了可改善陶瓷熱防護(hù)材料抗熱震性能的措施。此外,采用實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法首次研究了淬火剩余強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)過(guò)程中試件進(jìn)入冷卻介質(zhì)姿勢(shì)對(duì)陶瓷材料熱沖擊行為以及表征結(jié)果的影響。②以氧化鋁陶瓷材料為例,通過(guò)不同溫度下的三點(diǎn)彎強(qiáng)度實(shí)驗(yàn),研究了熱震損傷在不同溫度下對(duì)其斷裂行為的影響,分析了材料強(qiáng)度對(duì)熱震損傷敏感性隨溫度演化的內(nèi)在機(jī)理及其對(duì)表征不同使役環(huán)境下材料抗熱震性能的影響。進(jìn)一步系統(tǒng)研究了不同損傷形式(表面裂紋、劃痕等)在不同溫度下對(duì)脆性材料(氧化鋯(ZrO2)、鈉鈣玻璃)斷裂行為的影響,分析了不同溫度下?lián)p傷對(duì)材料破壞行為的影響規(guī)律,為更合理表征不同使役環(huán)境下材料的抗熱震性能打下了基礎(chǔ),同時(shí)也為不同溫度下含缺陷的高溫陶瓷構(gòu)件的可靠性評(píng)價(jià)提供了更合理途徑。③基于能量法推導(dǎo)了含有微裂紋損傷的高溫陶瓷材料溫度相關(guān)性本構(gòu)關(guān)系,根據(jù)材料溫度相關(guān)性強(qiáng)度模型以及斷裂能量平衡準(zhǔn)則推導(dǎo)了裂紋擴(kuò)展的溫度相關(guān)性臨界能量釋放率。利用所得的本構(gòu)關(guān)系、溫度相關(guān)性臨界能量釋放率采用有限元數(shù)值模擬的方法,對(duì)Al2O3陶瓷以及ZrB2基高溫陶瓷在不同初始溫度下的熱沖擊行為進(jìn)行了模擬,明確了裂紋擴(kuò)展判據(jù)的溫度相關(guān)性對(duì)陶瓷材料熱沖擊行為的評(píng)價(jià)以及數(shù)值模擬結(jié)果合理性的重要影響,且首次在數(shù)值模擬中考慮了熱沖擊過(guò)程中裂紋的演化與材料傳熱性能間的相互作用。基于Mori-Tanaka方法,針對(duì)高溫陶瓷材料Si C耗盡層建立了考慮氧化、微裂紋損傷等影響的溫度相關(guān)性本構(gòu)模型,并采用UMAT子程序?qū)⒅畱?yīng)用于有限元數(shù)值模擬;進(jìn)一步研究了氧化損傷對(duì)高溫陶瓷材料抗熱沖擊行為及強(qiáng)度的影響。
[Abstract]:High temperature ceramic materials are still one of the most promising materials in the field of high temperature because of their good chemical and physical stability. It is one of the most promising materials in the high temperature field. The regional thermal environment is different, and as part of the structure is constrained by other parts of the structure, the thermal shock resistance shown in the course of its causation is no longer the thermal shock resistance of the pure material itself, but the thermal shock resistance evaluation system often neglects the thermal environment, external constraints, thermal / force damage and other factors. As a result of coupling effect, it is urgent to establish an active environment and better reveal the mechanism of the thermal shock resistance of high temperature ceramic materials. In this paper, a combination of theoretical analysis, finite element simulation and experiment is applied to the thermal shock damage behavior and characterization of high temperature ceramic materials and their structures under different causation conditions. The following studies are carried out: (1) based on the sensitivity of thermo physical properties of high temperature ceramic materials to the temperature sensitivity and the complexity of their service thermal environment, the thermal shock resistance model of thermal shock resistance, which can consider the effects of damage and evolution, is established, which is suitable for different thermal shock environments such as cooling, heating and active cooling. The influence of different thermal shock environment, damage and its evolution on its thermal shock resistance, and the method to improve the thermal shock resistance of ceramic materials are proposed from the angle of material microstructure design. Considering the complex causation environment of the thermal protection material of high temperature ceramic, the thermal shock resistance of the material is the mechanics of the material itself and the thermal properties of the materials are in various heat and the outside world. The theory and numerical simulation model of thermal shock resistance of high temperature ceramic thermal protection materials, which can consider external constraints and the common influence of thermal environment, are established. The influence of external constraints and thermal environment on the thermal shock resistance of materials is studied systematically, and the thermal protection of ceramics can be improved from the structure design. In addition, the effect of the experimental and numerical simulation on the thermal shock behavior and characterization of the ceramic material during the quenching residual strength experiment was studied by the method of experiment and numerical simulation. (2) the experiment of three point bending strength at different temperatures was carried out with alumina ceramics as an example. The effect of thermal shock damage on its fracture behavior at different temperatures is studied. The intrinsic mechanism of the sensitivity of material strength to thermal shock damage with temperature evolution and its effect on the thermal shock resistance of materials under different causative environments are analyzed. The different damage forms (surface cracks, scratches, etc.) are further studied at different temperatures. The effect of the fracture behavior of zirconium oxide (ZrO2) and sodium calcium glass is analyzed. The effect of damage on the damage behavior of materials at different temperatures is analyzed, which lays a foundation for the more reasonable characterization of the thermal shock resistance of materials under different environmental conditions, and also provides a more suitable evaluation for the reliability evaluation of high temperature ceramic components with defects at different temperatures. Based on the energy method, the temperature dependence constitutive relation of high temperature ceramic materials with micro crack damage is derived. The temperature dependent critical energy release rate of the crack propagation is derived based on the temperature correlation strength model of the material and the fracture energy balance criterion, and the critical energy of temperature dependence is released by the constitutive relationship. The thermal shock behavior of Al2O3 ceramics and ZrB2 based high temperature ceramics at different initial temperatures was simulated by the finite element method. The evaluation of the temperature dependence of the crack propagation criterion on the thermal shock behavior of the ceramic materials and the important influence of the rationality of the numerical simulation results were made clear. The interaction between the crack evolution and the material heat transfer performance during the thermal shock process is considered. Based on the Mori-Tanaka method, a temperature correlation constitutive model is established for the Si C depletion layer of high temperature ceramic materials, which consider the effects of oxidation and micro crack damage. The UMAT subprogram is applied to the finite element numerical simulation. Further research is made. Effects of oxidative damage on thermal shock resistance and strength of high temperature ceramics.
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TQ174.1

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本文編號(hào)：1922617