本文關鍵詞： 高溫結構陶瓷 高溫強度 熱沖擊 氧化 性能 表征方法　出處：《重慶大學》2015年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：高溫結構陶瓷材料因其優(yōu)異的力學、熱學等性能而被廣泛應用于航空航天等各個工業(yè)領域。在高溫結構陶瓷材料體系中,超高溫陶瓷材料吸引了最為廣泛的關注。超高溫陶瓷是以Zr B2、Ta C、Hf N、Hf B2、Zr C等高熔點(3000oC以上)過渡金屬化合物為主的復合陶瓷體系,具有很好的化學和物理穩(wěn)定性,在超高溫度環(huán)境(2000oC以上)和有氧氣氛等苛刻環(huán)境條件下仍能照常使用,是難熔金屬、C/C(C/Si C)的最佳替代者,是超高溫領域最有前途的材料。研究表明添加增強相是提高超高溫陶瓷材料力學性能和抗氧化性能最有前途的手段。顆粒增強超高溫陶瓷基復合材料因其具有的高熔點、高硬度、高導熱率、優(yōu)異的高溫強度、韌性及抗氧化性能等優(yōu)點而被廣泛應用于高超音速飛行器的鼻椎、翼前緣等關鍵部位。對于應用于高溫領域的陶瓷材料,其在使役歷程中往往遭受復雜的高溫及氧化環(huán)境,溫度變化幅度大,且常常伴隨急劇的升溫和降溫過程,這就對其高溫強度及抗熱沖擊性能提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。如何表征及提高陶瓷材料的高溫強度及抗熱沖擊性能一直是高溫結構陶瓷領域研究的重點和熱點;研究其在復雜高溫環(huán)境下的漸進損傷與失效機理,并建立相應的具有深刻物理背景的可考慮使役環(huán)境影響的表征模型,具有十分重要的理論意義及工程應用背景。本文采用理論表征及試驗測試分析等手段,開展了以下研究工作:①在可考慮熱能與應變能對材料斷裂影響的建模思想以及經典的斷裂理論的基礎上,建立了陶瓷材料溫度相關性斷裂表面能模型�；谠摐囟认嚓P性斷裂表面能模型及斷裂力學理論,建立了顆粒增強超高溫陶瓷基復合材料溫度相關性斷裂強度模型。該模型考慮了溫度、溫度相關性殘余熱應力、晶粒尺寸及缺陷尺寸的共同影響,且無需任何擬合參數(shù)。對于材料中缺陷尺寸隨溫度演化比較敏感的材料,模型中進一步引入了溫度相關性缺陷尺寸的影響。利用所建模型,對一些材料的高溫強度進行了預測,并與試驗結果進行了對比,結果表明模型預測值與試驗值取得了非常好的一致性。所建的模型提供了一種有效的預測材料溫度相關性臨界缺陷尺寸的手段,有助于我們確定不同溫度下控制材料強度的主要機制。利用所建模型,系統(tǒng)研究了不同的影響機制對材料斷裂強度的影響及其隨溫度的演化規(guī)律,進一步為提高材料高溫強度、應用可靠性提供了指導及可能的途徑。②在對超高溫陶瓷基復合材料高溫氧化機制研究的基礎上,建立了可表征碳化硅耗盡層產生過程中微觀結構演化的理論模型,進一步通過研究陶瓷材料在低溫及高溫下的斷裂機制,建立了可計及氧化溫度、時間及相變等因素影響的碳化硅耗盡層的熱-損傷斷裂強度模型。利用該模型,研究了在不同氧化階段碳化硅耗盡層的斷裂強度,進一步系統(tǒng)分析了各種控制機制對該層斷裂強度的影響。研究結果揭示了碳化硅耗盡層損傷演化規(guī)律和斷裂強度衰減規(guī)律,分析了其失效機理。③研究了不同冷卻介質溫度對陶瓷材料降溫抗熱沖擊性能試驗表征結果的影響。研究結果表明,陶瓷材料熱沖擊行為對冷卻介質溫度非常敏感,其在室溫附近時都有明顯差異。因此在利用淬火試驗表征陶瓷材料的降溫抗熱沖擊性能時必須計及冷卻介質溫度的影響。水溫越高,Zr O2(3Y)降溫抗熱沖擊性能不一定越好。這表明了目前普遍認為的水溫越高材料抗熱沖擊性能越好的結論并非普適的,揭示了以前的研究結果存在的片面性。當降溫熱沖擊溫差在熱沖擊試件臨界斷裂溫差附近時,使熱沖擊溫差改變很小的量,就可導致熱沖擊試件剩余強度發(fā)生很大的變化。因此,我們認為熱沖擊試件剩余強度對臨界斷裂溫差附近的熱沖擊溫差太敏感,不適合用臨界斷裂溫差去表征材料的降溫抗熱沖擊性能。④通過對現(xiàn)有的降溫熱沖擊裝置進行改裝,設計研制出了一套簡易且能有效完成陶瓷材料升溫熱沖擊試驗的裝置。該試驗裝置設計使陶瓷試件從低溫環(huán)境下瞬間自動進入一個可精確控制目標溫度的高溫環(huán)境中,完成升溫熱沖擊。該設計方法很好的解決了目前對于陶瓷材料升溫熱沖擊試驗方法中存在的試件表面加熱不均勻以及目標溫度難以控制的問題。利用上述研制的升溫熱沖擊試驗裝置,開展了陶瓷材料一系列的升溫熱沖擊試驗,系統(tǒng)研究了不同熱沖擊目標溫度及試件尺寸對升溫熱沖擊行為的影響。研究結果表明此方法很好的實現(xiàn)了升溫熱沖擊過程,在升溫熱沖擊試件內部沖出了理想的損傷,且試件表面無可視化損傷。這與升溫熱沖擊破壞機理是吻合的,且以前關于陶瓷材料升溫熱沖擊的研究未見報道此現(xiàn)象。本文還對陶瓷材料升溫抗熱沖擊性能提出了一種新的表征方法。類似于陶瓷材料降溫抗熱沖擊性能,本研究試驗結果首次證明了針對升溫抗熱沖擊性能,我們仍然可以定義一個表征參數(shù),即臨界斷裂溫差,其值取決于材料微觀結構及材料性能�；谠囼灲Y果及理論分析,進一步建立了計及試件尺寸影響的長方體形陶瓷試件的臨界斷裂溫差表征模型。
[Abstract]:High temperature ceramic based composites have been widely used in various industrial fields such as aerospace and so on because of their excellent mechanical and thermal properties . In this paper , the influence of different cooling medium temperatures on the thermal shock resistance of ceramic materials has been studied . The results show that the thermal shock behavior of the ceramic material is very sensitive to the temperature of the cooling medium . The results show that the thermal shock behavior of the ceramic material is very sensitive to the temperature of the cooling medium .

【學位授予單位】：重慶大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TQ174.1

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本文編號：1483015