陶瓷材料高温强度与抗热冲击性能及其表征方法研究

发布时间：2018-02-01 22:26

本文关键词： 高温结构陶瓷高温强度热冲击氧化性能表征方法　出处：《重庆大学》2015年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：高温结构陶瓷材料因其优异的力学、热学等性能而被广泛应用于航空航天等各个工业领域。在高温结构陶瓷材料体系中,超高温陶瓷材料吸引了最为广泛的关注。超高温陶瓷是以Zr B2、Ta C、Hf N、Hf B2、Zr C等高熔点(3000oC以上)过渡金属化合物为主的复合陶瓷体系,具有很好的化学和物理稳定性,在超高温度环境(2000oC以上)和有氧气氛等苛刻环境条件下仍能照常使用,是难熔金属、C/C(C/Si C)的最佳替代者,是超高温领域最有前途的材料。研究表明添加增强相是提高超高温陶瓷材料力学性能和抗氧化性能最有前途的手段。颗粒增强超高温陶瓷基复合材料因其具有的高熔点、高硬度、高导热率、优异的高温强度、韧性及抗氧化性能等优点而被广泛应用于高超音速飞行器的鼻椎、翼前缘等关键部位。对于应用于高温领域的陶瓷材料,其在使役历程中往往遭受复杂的高温及氧化环境,温度变化幅度大,且常常伴随急剧的升温和降温过程,这就对其高温强度及抗热冲击性能提出了严峻的挑战。如何表征及提高陶瓷材料的高温强度及抗热冲击性能一直是高温结构陶瓷领域研究的重点和热点;研究其在复杂高温环境下的渐进损伤与失效机理,并建立相应的具有深刻物理背景的可考虑使役环境影响的表征模型,具有十分重要的理论意义及工程应用背景。本文采用理论表征及试验测试分析等手段,开展了以下研究工作:①在可考虑热能与应变能对材料断裂影响的建模思想以及经典的断裂理论的基础上,建立了陶瓷材料温度相关性断裂表面能模型。基于该温度相关性断裂表面能模型及断裂力学理论,建立了颗粒增强超高温陶瓷基复合材料温度相关性断裂强度模型。该模型考虑了温度、温度相关性残余热应力、晶粒尺寸及缺陷尺寸的共同影响,且无需任何拟合参数。对于材料中缺陷尺寸随温度演化比较敏感的材料,模型中进一步引入了温度相关性缺陷尺寸的影响。利用所建模型,对一些材料的高温强度进行了预测,并与试验结果进行了对比,结果表明模型预测值与试验值取得了非常好的一致性。所建的模型提供了一种有效的预测材料温度相关性临界缺陷尺寸的手段,有助于我们确定不同温度下控制材料强度的主要机制。利用所建模型,系统研究了不同的影响机制对材料断裂强度的影响及其随温度的演化规律,进一步为提高材料高温强度、应用可靠性提供了指导及可能的途径。②在对超高温陶瓷基复合材料高温氧化机制研究的基础上,建立了可表征碳化硅耗尽层产生过程中微观结构演化的理论模型,进一步通过研究陶瓷材料在低温及高温下的断裂机制,建立了可计及氧化温度、时间及相变等因素影响的碳化硅耗尽层的热-损伤断裂强度模型。利用该模型,研究了在不同氧化阶段碳化硅耗尽层的断裂强度,进一步系统分析了各种控制机制对该层断裂强度的影响。研究结果揭示了碳化硅耗尽层损伤演化规律和断裂强度衰减规律,分析了其失效机理。③研究了不同冷却介质温度对陶瓷材料降温抗热冲击性能试验表征结果的影响。研究结果表明,陶瓷材料热冲击行为对冷却介质温度非常敏感,其在室温附近时都有明显差异。因此在利用淬火试验表征陶瓷材料的降温抗热冲击性能时必须计及冷却介质温度的影响。水温越高,Zr O2(3Y)降温抗热冲击性能不一定越好。这表明了目前普遍认为的水温越高材料抗热冲击性能越好的结论并非普适的,揭示了以前的研究结果存在的片面性。当降温热冲击温差在热冲击试件临界断裂温差附近时,使热冲击温差改变很小的量,就可导致热冲击试件剩余强度发生很大的变化。因此,我们认为热冲击试件剩余强度对临界断裂温差附近的热冲击温差太敏感,不适合用临界断裂温差去表征材料的降温抗热冲击性能。④通过对现有的降温热冲击装置进行改装,设计研制出了一套简易且能有效完成陶瓷材料升温热冲击试验的装置。该试验装置设计使陶瓷试件从低温环境下瞬间自动进入一个可精确控制目标温度的高温环境中,完成升温热冲击。该设计方法很好的解决了目前对于陶瓷材料升温热冲击试验方法中存在的试件表面加热不均匀以及目标温度难以控制的问题。利用上述研制的升温热冲击试验装置,开展了陶瓷材料一系列的升温热冲击试验,系统研究了不同热冲击目标温度及试件尺寸对升温热冲击行为的影响。研究结果表明此方法很好的实现了升温热冲击过程,在升温热冲击试件内部冲出了理想的损伤,且试件表面无可视化损伤。这与升温热冲击破坏机理是吻合的,且以前关于陶瓷材料升温热冲击的研究未见报道此现象。本文还对陶瓷材料升温抗热冲击性能提出了一种新的表征方法。类似于陶瓷材料降温抗热冲击性能,本研究试验结果首次证明了针对升温抗热冲击性能,我们仍然可以定义一个表征参数,即临界断裂温差,其值取决于材料微观结构及材料性能。基于试验结果及理论分析,进一步建立了计及试件尺寸影响的长方体形陶瓷试件的临界断裂温差表征模型。
[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 .

【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ174.1

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