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超高溫材料力學(xué) 版權(quán)信息
- ISBN：9787030723864
- 條形碼：9787030723864 ; 978-7-03-072386-4
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數(shù)：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
超高溫材料力學(xué) 內(nèi)容簡介
本書系統(tǒng)介紹近年來作者在超高溫材料力學(xué)性能方面的理論建模、數(shù)值模擬和實驗研究成果。本書分上下冊。上冊共5章，內(nèi)容包括：緒論、超高溫材料熱力耦合本構(gòu)關(guān)系、超高溫陶瓷材料溫度相關(guān)性斷裂強度理論表征模型、超高溫陶瓷基復(fù)合材料高溫斷裂強度理論表征模型、陶瓷材料的抗熱震性能等。下冊共4章，內(nèi)容包括：高溫層狀及涂層材料高溫力學(xué)行為、熱防護材料熱力氧耦合計算力學(xué)、超高溫實驗力學(xué)測試技術(shù)與儀器、高溫點陣熱防護結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計與表征等。
超高溫材料力學(xué) 目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 高溫材料的特性 1
1.2 高溫材料力學(xué)的研究背景 2
1.2.1 超高溫陶瓷材料研究概況 2
1.2.2 超高溫陶瓷基復(fù)合材料研究概況 3
1.2.3 高溫點陣材料研究概況 5
1.3 本書的結(jié)構(gòu)與內(nèi)容安排 7
參考文獻 7
第2章 超高溫材料的熱力耦合本構(gòu)關(guān)系 11
2.1 C/SiC復(fù)合材料高溫非線性行為物理機制 11
2.1.1 微裂紋擴展與拉壓異性 11
2.1.2 高溫對非線性行為的影響 14
2.2 C/SiC復(fù)合材料熱力耦合本構(gòu)關(guān)系框架 16
2.2.1 塑性屈服函數(shù) 16
2.2.2 一般性增量型本構(gòu)關(guān)系框架 17
2.3 溫度效應(yīng)的引入 18
2.4 本構(gòu)關(guān)系參數(shù)的確定 20
2.5 理論與實驗結(jié)果對比 24
2.6 本章小結(jié) 26
參考文獻 26
第3章 超高溫陶瓷材料溫度相關(guān)性斷裂強度理論表征模型 28
3.1 超高溫陶瓷材料溫度相關(guān)性斷裂強度模型 29
3.1.1 建模思想 29
3.1.2 理論模型 29
3.1.3 理論與實驗結(jié)果對比 31
3.2 單晶超高溫陶瓷材料溫度相關(guān)性理想拉伸強度模型 32
3.2.1 單晶材料的失效模式 32
3.2.2 理論模型 34
3.2.3 理論與實驗結(jié)果對比 46
3.3 超高溫陶瓷材料熱-損傷斷裂強度模型 54
3.3.1 理論模型 54
3.3.2 理論與實驗結(jié)果對比 58
3.3.3 裂紋形狀及尺寸對高溫斷裂強度的影響 59
3.3.4 楊氏模量對高溫斷裂強度的影響 61
3.4 本章小結(jié) 61
參考文獻 62
第4章 超高溫陶瓷基復(fù)合材料高溫斷裂強度理論表征模型 65
4.1 顆粒增強超高溫陶瓷基復(fù)合材料 65
4.1.1 溫度相關(guān)性斷裂強度模型 65
4.1.2 高溫氧化過程中碳化硅耗盡層斷裂強度理論表征 92
4.2 纖維增強超高溫陶瓷基復(fù)合材料 102
4.2.1 溫度相關(guān)性斷裂強度模型 103
4.2.2 理論與試驗結(jié)果對比 106
4.3 層狀增強超高溫陶瓷基復(fù)合材料 108
4.3.1 溫度相關(guān)性斷裂強度模型 109
4.3.2 理論計算結(jié)果與分析 111
4.4 本章小結(jié) 114
參考文獻 114
第5章 陶瓷材料的抗熱震性能 118
5.1 降溫?zé)釠_擊環(huán)境下抗熱震性能 119
5.1.1 理論模型 119
5.1.2 結(jié)果與討論 121
5.2 升溫?zé)釠_擊環(huán)境下抗熱震性能 127
5.2.1 理論模型 127
5.2.2 結(jié)果與討論 127
5.3 主動冷卻情形下抗熱震性能 133
5.3.1 理論模型 134
5.3.2 結(jié)果與討論 135
5.4 氣動熱環(huán)境下抗熱震性能 139
5.4.1 理論模型 139
5.4.2 數(shù)值模擬 144
5.4.3 結(jié)果與討論 147
5.5 對流熱環(huán)境下抗熱震性能 151
5.5.1 理論模型 151
5.5.2 數(shù)值模擬 153
5.5.3 結(jié)果與討論 154
5.6 熱防護系統(tǒng)的抗熱震性能 158
5.6.1 分析模型 159
5.6.2 結(jié)果與討論 162
5.7 抗熱震性能的影響因素分析 167
5.7.1 損傷形式的影響 167
5.7.2 約束方式的影響 170
5.7.3 面內(nèi)幾何形狀的影響 175
5.7.4 試件進入冷卻介質(zhì)姿勢的影響 179
5.7.5 冷卻介質(zhì)溫度的影響 183
5.7.6 機械沖擊的影響 187
5.8 本章小結(jié) 192
參考文獻 192
第6章 高溫層狀及涂層材料的高溫力學(xué)行為 195
6.1 高溫層狀及涂層材料高溫壓痕測試表征方法 196
6.1.1 高溫壓痕pile-up行為研究與表征 196
6.1.2 高溫材料氧化層性能壓痕測試與表征 205
6.2 高溫層狀及涂層材料斷裂性能與內(nèi)部應(yīng)力測試與表征 215
6.2.1 理論基礎(chǔ)的介紹 215
6.2.2 超高溫陶瓷材料氧化層內(nèi)部應(yīng)力測試與表征 216
6.2.3 高溫環(huán)境下熱障涂層斷裂性能及內(nèi)部應(yīng)力測試與表征 222
6.3 本章小結(jié) 226
參考文獻 226
第7章 熱防護材料的熱力氧耦合計算力學(xué) 229
7.1 高溫氧化行為的相場計算方法 230
7.1.1 相場計算方法 230
7.1.2 高溫金屬及合金的高溫氧化計算 238
7.1.3 單向C/SiC復(fù)合材料的高溫氧化計算 246
7.2 高溫氧化動力學(xué)理論 260
7.2.1 考慮氧化體積變化和界面曲率的氧化動力學(xué)模型 261
7.2.2 氧化生長應(yīng)力對氧化速率的影響 265
7.2.3 實驗驗證及討論 268
7.2.4 波浪形氧化界面的演化 271
7.3 高溫氧化與斷裂的相互作用 275
7.3.1 氧化斷裂理論模型 275
7.3.2 裂紋尖端附近的氧化行為 281
7.3.3 氧化對裂紋尖端彈性場的影響 285
7.4 本章小結(jié) 288
參考文獻 289
第8章 超高溫實驗力學(xué)測試技術(shù)與儀器 291
8.1 先進材料超高溫拉/壓/彎/剪力學(xué)性能測試 292
8.1.1 超高溫發(fā)熱體和夾具制備技術(shù) 292
8.1.2 材料超高溫力學(xué)性能測試技術(shù) 294
8.1.3 材料超高溫力學(xué)性能測試儀器 299
8.1.4 先進材料超高溫力學(xué)性能試驗研究 305
8.2 高溫壓痕測試技術(shù)與儀器研發(fā) 314
8.2.1 高溫壓痕測試儀器關(guān)鍵技術(shù)方案設(shè)計及驗證 315
8.2.2 高溫壓痕測試儀器研發(fā)與調(diào)試校準 324
8.2.3 基于高溫壓痕技術(shù)的熱障涂層高溫力學(xué)性能測試 331
8.3 基于原位加載CT的材料力學(xué)行為評價技術(shù)與儀器 334
8.3.1 多場原位微焦點CT與工業(yè)DR/CT系統(tǒng) 334
8.3.2 結(jié)構(gòu)與材料微結(jié)構(gòu)及損傷演化原位表征與評價 339
8.4 本章小結(jié) 350
參考文獻 351
第9章 高溫點陣熱防護結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計與表征 355
9.1 ZrO2高溫陶瓷波紋結(jié)構(gòu) 359
9.1.1 設(shè)計與制備 359
9.1.2 實驗測試 361
9.1.3 理論表征 362
9.2 ZrB2-SiC-G超高溫陶瓷波紋結(jié)構(gòu) 367
9.2.1 設(shè)計與制備 367
9.2.2 實驗測試 368
9.2.3 數(shù)值模擬 370
9.3 C/SiC陶瓷基復(fù)合材料高溫點陣結(jié)構(gòu) 371
9.3.1 設(shè)計與制備 371
9.3.2 實驗測試 372
9.3.3 理論表征與數(shù)值模擬 373
9.4 C/SiC陶瓷基復(fù)合材料高溫點陣結(jié)構(gòu)的防隔熱性能 378
9.4.1 實驗測試 378
9.4.2 等效熱導(dǎo)率理論模型 381
9.4.3 數(shù)值模擬 382
9.4.4 分析與討論 388
9.5 基于C/SiC陶瓷基復(fù)合材料高溫點陣結(jié)構(gòu)的熱防護系統(tǒng)設(shè)計 392
9.5.1 集成式熱防護系統(tǒng)設(shè)計 392
9.5.2 熱防護系統(tǒng)的傳熱特性 394
9.5.3 熱防護系統(tǒng)的力學(xué)性能 397
9.6 本章小結(jié) 399
參考文獻 400
第1章 緒論 1
1.1 高溫材料的特性 1
1.2 高溫材料力學(xué)的研究背景 2
1.2.1 超高溫陶瓷材料研究概況 2
1.2.2 超高溫陶瓷基復(fù)合材料研究概況 3
1.2.3 高溫點陣材料研究概況 5
1.3 本書的結(jié)構(gòu)與內(nèi)容安排 7
參考文獻 7
第2章 超高溫材料的熱力耦合本構(gòu)關(guān)系 11
2.1 C/SiC復(fù)合材料高溫非線性行為物理機制 11
2.1.1 微裂紋擴展與拉壓異性 11
2.1.2 高溫對非線性行為的影響 14
2.2 C/SiC復(fù)合材料熱力耦合本構(gòu)關(guān)系框架 16
2.2.1 塑性屈服函數(shù) 16
2.2.2 一般性增量型本構(gòu)關(guān)系框架 17
2.3 溫度效應(yīng)的引入 18
2.4 本構(gòu)關(guān)系參數(shù)的確定 20
2.5 理論與實驗結(jié)果對比 24
2.6 本章小結(jié) 26
參考文獻 26
第3章 超高溫陶瓷材料溫度相關(guān)性斷裂強度理論表征模型 28
3.1 超高溫陶瓷材料溫度相關(guān)性斷裂強度模型 29
3.1.1 建模思想 29
3.1.2 理論模型 29
3.1.3 理論與實驗結(jié)果對比 31
3.2 單晶超高溫陶瓷材料溫度相關(guān)性理想拉伸強度模型 32
3.2.1 單晶材料的失效模式 32
3.2.2 理論模型 34
3.2.3 理論與實驗結(jié)果對比 46
3.3 超高溫陶瓷材料熱-損傷斷裂強度模型 54
3.3.1 理論模型 54
3.3.2 理論與實驗結(jié)果對比 58
3.3.3 裂紋形狀及尺寸對高溫斷裂強度的影響 59
3.3.4 楊氏模量對高溫斷裂強度的影響 61
3.4 本章小結(jié) 61
參考文獻 62
第4章 超高溫陶瓷基復(fù)合材料高溫斷裂強度理論表征模型 65
4.1 顆粒增強超高溫陶瓷基復(fù)合材料 65
4.1.1 溫度相關(guān)性斷裂強度模型 65
4.1.2 高溫氧化過程中碳化硅耗盡層斷裂強度理論表征 92
4.2 纖維增強超高溫陶瓷基復(fù)合材料 102
4.2.1 溫度相關(guān)性斷裂強度模型 103
4.2.2 理論與試驗結(jié)果對比 106
4.3 層狀增強超高溫陶瓷基復(fù)合材料 108
4.3.1 溫度相關(guān)性斷裂強度模型 109
4.3.2 理論計算結(jié)果與分析 111
4.4 本章小結(jié) 114
參考文獻 114
第5章 陶瓷材料的抗熱震性能 118
5.1 降溫?zé)釠_擊環(huán)境下抗熱震性能 119
5.1.1 理論模型 119
5.1.2 結(jié)果與討論 121
5.2 升溫?zé)釠_擊環(huán)境下抗熱震性能 127
5.2.1 理論模型 127
5.2.2 結(jié)果與討論 127
5.3 主動冷卻情形下抗熱震性能 133
5.3.1 理論模型 134
5.3.2 結(jié)果與討論 135
5.4 氣動熱環(huán)境下抗熱震性能 139
5.4.1 理論模型 139
5.4.2 數(shù)值模擬 144
5.4.3 結(jié)果與討論 147
5.5 對流熱環(huán)境下抗熱震性能 151
5.5.1 理論模型 151
5.5.2 數(shù)值模擬 153
5.5.3 結(jié)果與討論 154
5.6 熱防護系統(tǒng)的抗熱震性能 158
5.6.1 分析模型 159
5.6.2 結(jié)果與討論 162
5.7 抗熱震性能的影響因素分析 167
5.7.1 損傷形式的影響 167
5.7.2 約束方式的影響 170
5.7.3 面內(nèi)幾何形狀的影響 175
5.7.4 試件進入冷卻介質(zhì)姿勢的影響 179
5.7.5 冷卻介質(zhì)溫度的影響 183
5.7.6 機械沖擊的影響 187
5.8 本章小結(jié) 192
參考文獻 192
第6章 高溫層狀及涂層材料的高溫力學(xué)行為 195
6.1 高溫層狀及涂層材料高溫壓痕測試表征方法 196
6.1.1 高溫壓痕pile-up行為研究與表征 196
6.1.2 高溫材料氧化層性能壓痕測試與表征 205
6.2 高溫層狀及涂層材料斷裂性能與內(nèi)部應(yīng)力測試與表征 215
6.2.1 理論基礎(chǔ)的介紹 215
6.2.2 超高溫陶瓷材料氧化層內(nèi)部應(yīng)力測試與表征 216
6.2.3 高溫環(huán)境下熱障涂層斷裂性能及內(nèi)部應(yīng)力測試與表征 222
6.3 本章小結(jié) 226
參考文獻 226
第7章 熱防護材料的熱力氧耦合計算力學(xué) 229
7.1 高溫氧化行為的相場計算方法 230
7.1.1 相場計算方法 230
7.1.2 高溫金屬及合金的高溫氧化計算 238
7.1.3 單向C/SiC復(fù)合材料的高溫氧化計算 246
7.2 高溫氧化動力學(xué)理論 260
7.2.1 考慮氧化體積變化和界面曲率的氧化動力學(xué)模型 261
7.2.2 氧化生長應(yīng)力對氧化速率的影響 265
7.2.3 實驗驗證及討論 268
7.2.4 波浪形氧化界面的演化 271
7.3 高溫氧化與斷裂的相互作用 275
7.3.1 氧化斷裂理論模型 275
7.3.2 裂紋尖端附近的氧化行為 281
7.3.3 氧化對裂紋尖端彈性場的影響 285
7.4 本章小結(jié) 288
參考文獻 289
第8章 超高溫實驗力學(xué)測試技術(shù)與儀器 291
8.1 先進材料超高溫拉/壓/彎/剪力學(xué)性能測試 292
8.1.1 超高溫發(fā)熱體和夾具制備技術(shù) 292
8.1.2 材料超高溫力學(xué)性能測試技術(shù) 294
8.1.3 材料超高溫力學(xué)性能測試儀器 299
8.1.4 先進材料超高溫力學(xué)性能試驗研究 305
8.2 高溫壓痕測試技術(shù)與儀器研發(fā) 314
8.2.1 高溫壓痕測試儀器關(guān)鍵技術(shù)方案設(shè)計及驗證 315
8.2.2 高溫壓痕測試儀器研發(fā)與調(diào)試校準 324
8.2.3 基于高溫壓痕技術(shù)的熱障涂層高溫力學(xué)性能測試 331
8.3 基于原位加載CT的材料力學(xué)行為評價技術(shù)與儀器 334
8.3.1 多場原位微焦點CT與工業(yè)DR/CT系統(tǒng) 334
8.3.2 結(jié)構(gòu)與材料微結(jié)構(gòu)及損傷演化原位表征與評價 339
8.4 本章小結(jié) 350
參考文獻 351
第9章 高溫點陣熱防護結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計與表征 355
9.1 ZrO2高溫陶瓷波紋結(jié)構(gòu) 359
9.1.1 設(shè)計與制備 359
9.1.2 實驗測試 361
9.1.3 理論表征 362
9.2 ZrB2-SiC-G超高溫陶瓷波紋結(jié)構(gòu) 367
9.2.1 設(shè)計與制備 367
9.2.2 實驗測試 368
9.2.3 數(shù)值模擬 370
9.3 C/SiC陶瓷基復(fù)合材料高溫點陣結(jié)構(gòu) 371
9.3.1 設(shè)計與制備 371
9.3.2 實驗測試 372
9.3.3 理論表征與數(shù)值模擬 373
9.4 C/SiC陶瓷基復(fù)合材料高溫點陣結(jié)構(gòu)的防隔熱性能 378
9.4.1 實驗測試 378
9.4.2 等效熱導(dǎo)率理論模型 381
9.4.3 數(shù)值模擬 382
9.4.4 分析與討論 388
9.5 基于C/SiC陶瓷基復(fù)合材料高溫點陣結(jié)構(gòu)的熱防護系統(tǒng)設(shè)計 392
9.5.1 集成式熱防護系統(tǒng)設(shè)計 392
9.5.2 熱防護系統(tǒng)的傳熱特性 394
9.5.3 熱防護系統(tǒng)的力學(xué)性能 397
9.6 本章小結(jié) 399
參考文獻 400
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超高溫材料力學(xué) 節(jié)選
第1章 緒論 超高溫陶瓷材料、超高溫陶瓷基復(fù)合材料等超高溫材料在航空航天、核工業(yè)和國防等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，其在高溫服役環(huán)境下的力學(xué)性能備受關(guān)注，特別是在航空航天領(lǐng)域，用作高超聲速飛行器熱防護系統(tǒng)及發(fā)動機熱端部件的超高溫材料在使役歷程中常常面臨著復(fù)雜多樣的熱環(huán)境，對已有的材料力學(xué)性能表征方法和測試技術(shù)帶來了極大的挑戰(zhàn)。雖然諸多科研人員對材料在高溫極端環(huán)境下的各種性能開展了大量研究，并取得了許多卓有成效的研究成果，但材料的高溫力學(xué)性能表征與測試仍是高溫領(lǐng)域的難點，嚴重制約著高性能超高溫材料的研發(fā)和應(yīng)用。因此，有必要充分研究材料在高溫條件下的響應(yīng)特性，科學(xué)表征和評價材料的高溫力學(xué)性能，為設(shè)計、研發(fā)和應(yīng)用高性能超高溫材料奠定基礎(chǔ)。本章首先介紹高溫材料的特性，然后闡述高溫材料力學(xué)性能的研究背景，*后給出本書的結(jié)構(gòu)與內(nèi)容安排。 1.1 高溫材料的特性 1.超高溫陶瓷材料 超高溫陶瓷是以 ZrB2、TaC、HfN、HfB2、ZrC等高熔點(3000℃以上)過渡金屬化合物為主的復(fù)合陶瓷體系，具有很好的物理化學(xué)穩(wěn)定性，以及良好的熱震和抗燒蝕性能。超高溫陶瓷材料在超高溫度環(huán)境(2000℃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/SiC)的*佳替代者，是超高溫領(lǐng)域*有前途的材料。 2.超高溫陶瓷基復(fù)合材料 陶瓷材料具有耐高溫、抗腐蝕以及耐磨損等優(yōu)點，但固有的脆性限制了其廣泛應(yīng)用。研究表明，添加增強相，如增強顆粒、纖維，是提高超高溫陶瓷材料力學(xué)性能和抗氧化性能*有前途的手段，同時能克服陶瓷材料易脆性失效的缺點。超高溫陶瓷基復(fù)合材料因其具有的高熔點、高硬度、高熱導(dǎo)率，以及優(yōu)異的高溫強度、高溫韌性和抗氧化性能等優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于高超聲速飛行器的熱防護系統(tǒng)及鼻錐、翼前緣等關(guān)鍵部位，或者其他2000℃以上的有氧/熱腐蝕環(huán)境部件。 3.高溫點陣材料 作為一種典型的多孔材料，點陣材料具有超輕、高比剛度、高比強度、高能量吸收、減振降噪等多功能特性(方岱寧等，2009a，2009b)。另外，點陣材料在強迫對流下是優(yōu)良的傳熱介質(zhì)，通過合理設(shè)計可以作為承受高密度熱流的結(jié)構(gòu)(Liu et al.，2007; Kim et al.，2004)。此外，在具有高孔隙率的點陣材料中填充隔熱纖維(如 Saffil氧化鋁纖維)，還可以實現(xiàn)隔熱與承載的雙重功能。因此，點陣材料不僅具有承載作用，還可以兼具高效散熱、隔熱等功能，具有承載與防熱/隔熱的多功能集成特性，在航空航天結(jié)構(gòu)隔熱部件、核電廠交換器隔熱層、大規(guī)模集成電子封裝中的超輕多功能散熱裝置等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用(盧天健等，2010)。 陶瓷材料由于具有耐高溫、高硬度、抗氧化、抗腐蝕等優(yōu)良性能，在高溫領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。將點陣結(jié)構(gòu)與耐高溫陶瓷材料相結(jié)合獲得的高溫點陣材料(如 C/SiC陶瓷基復(fù)合點陣材料)具有輕質(zhì)、高強、防熱、耐氧化、耐燒蝕等多功能特性。采用高溫點陣材料作為主承載結(jié)構(gòu)，并在芯層空隙填充隔熱材料作為隔熱層設(shè)計的集成式熱防護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，集輕質(zhì)、承載、防熱/隔熱于一體，具有結(jié)構(gòu)形式簡單、效率高、可大面積制造及維護成本低等優(yōu)點，在高超聲速飛行器熱防護系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。 1.2 高溫材料力學(xué)的研究背景 1.2.1 超高溫陶瓷材料研究概況 超高溫陶瓷具有高熔點、耐高溫、抗氧化、耐酸堿腐蝕、大硬度、小密度等特性，由美國空軍首次開發(fā)，主要用于高超聲速導(dǎo)彈、高超聲速飛行器等的熱防護系統(tǒng)，如作為翼前緣、端頭帽以及發(fā)動機的熱端等。超高溫陶瓷由于其在軍工方面具有極其重要的價值，一直以來受到高度的重視，現(xiàn)在有美國國家航空航天局(NASA)的艾姆斯(Ames)研究中心、美國能源部(DOE)的桑迪亞(Sandia)國家實驗室等15家單位在從事超高溫陶瓷材料方面的研發(fā)工作。據(jù)*新報道， NASA的 Ames研究中心、DOE的 Sandia國家實驗室以及美國空軍聯(lián)合研制的超高溫陶瓷材料已經(jīng)在加利福尼亞州空軍基地通過民兵Ⅲ導(dǎo)彈進行了飛行模擬，通過23min的高速飛行，材料經(jīng)受2730℃高溫沒有燒蝕。看到超高溫陶瓷材料極其重要的軍事價值，2004年美國國家科學(xué)基金會-空軍科學(xué)研究實驗室(NSF-AFOSR)組織15家超高溫研究單位組成了“超高溫學(xué)會”，并對超高溫材料未來的發(fā)展進行了統(tǒng)一規(guī)劃，實行資源優(yōu)勢互補，使美國超高溫材料的發(fā)展走上了正軌。 早期關(guān)于超高溫陶瓷材料的研究主要集中在高溫氧化問題上(Lavrenko et al.，1982; Fenter，1971; Kaufman，1970; Clougherty et al.，1969; Hill，1967; Kaufman and Clougherty，1965)。到20世紀70年代初期，多數(shù)學(xué)者逐漸認識到 ZrB2和 HfB2化合物是*有希望應(yīng)用到2700℃的高溫環(huán)境中的熱防護材料(Fenter，1971)。Opeka等(1999)對溫度對 HfB2、HfC0.98、HfC0.67及 HfN0.92陶瓷的熱傳導(dǎo)、熱膨脹、楊氏模量(彈性模量)和彎曲強度的影響進行了實驗研究，并研究了其脆韌轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。 Collin和 Rowcliffe(2000)研究了脆性材料的熱震性能并對一些影響因素做了分析。 Qian等(1998)采用有限元方法分析了溫度梯度、裂紋位置和裂紋方向?qū)Σ牧闲阅艿挠绊懀⒏鶕?jù)外推的部分材料性質(zhì)隨溫度的變化規(guī)律研究了材料性能與溫度的關(guān)系，但研究的*高溫度也只是達到1100℃，且僅考慮了一部分材料性質(zhì)隨溫度的變化。在國內(nèi)，從20世紀70年代開始開展超高溫材料的探索工作，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、中國航天科技集團公司(701所、703所、14所)、總裝備部二十九基地、中材山東工業(yè)陶瓷研究設(shè)計院有限公司、中國科學(xué)院金屬研究所、中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所、清華大學(xué)、武漢理工大學(xué)、北京理工大學(xué)、重慶大學(xué)等單位參與了超高溫材料的研究工作，獲得了許多可喜成果，并對陶瓷材料的應(yīng)用仍面臨著的問題進行了評述(李金平等，2005;張立同等，2003;徐強等，2002;方岱寧，2000;傅恒志等，2000;李世波和張立同，2000)。 雖然國內(nèi)外學(xué)者的一些研究工作涉及超高溫陶瓷材料的組分、制備工藝、微觀結(jié)構(gòu)、材料密度、環(huán)境溫度等因素對材料強度和斷裂韌性的影響，并取得了一系列可喜的研究成果，但研究的工作溫度遠沒有達到飛行器實際承受的超高溫。此外，研究多數(shù)側(cè)重于采取實驗方法，實驗體系比較分散、理論分析不系統(tǒng)，超高溫陶瓷材料的高溫強韌化理論還近乎于空白。在過去的幾十年里，世界各國的陶瓷材料力學(xué)工作者為發(fā)展一套適用于陶瓷材料的斷裂強度理論付出了艱辛的努力，常溫或略高于常溫下的理論框架已經(jīng)初步建立(龔江宏，2001;斯溫，1998; Green，1998)。但由于超高溫防熱材料與傳統(tǒng)的陶瓷材料不同，用于超高溫度環(huán)境下的防熱材料在長時間的動態(tài)熱力耦合載荷下表現(xiàn)出的力學(xué)行為和破壞機理與常溫下材料的性能差別較大，目前已有的一些強韌化方法和機制在超高溫制備和服役條件下失去了效能，甚至?xí)档筒牧系膹婍g化指標；一些已建立的材料參數(shù)受溫度影響的經(jīng)驗公式在超高溫度環(huán)境下已不再適用，原有理論的建立基礎(chǔ)在超高溫條件下(2000℃以上)不再完全滿足。因此，想要提高超高溫陶瓷防熱材料的高溫強韌化性能，就必須在理論上有所突破，建立超高溫陶瓷材料高溫強度和斷裂韌性的表征方法，確定其高溫強韌化性能與相關(guān)因素的聯(lián)系，建立起超高溫陶瓷材料的高溫強度與斷裂理論。 1.2.2 超高溫陶瓷基復(fù)合材料研究概況 作為航空航天飛行器上的關(guān)鍵材料，超高溫陶瓷基復(fù)合材料扮演著保駕護航者的角色，幫助飛行器不斷突破速度和空間上的極限，因而受到世界各軍事大國的高度重視。對于應(yīng)用于高溫領(lǐng)域的超高溫陶瓷基復(fù)合材料，其在使役歷程中往往承受復(fù)雜的高溫及氧化環(huán)境，溫度變化幅度大，這就對其高溫強度性能提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。如何表征及提高陶瓷基復(fù)合材料的高溫強度性能一直是高溫結(jié)構(gòu)陶瓷領(lǐng)域研究的重點和熱點；研究其在復(fù)雜高溫環(huán)境下的漸進損傷與失效機理，并建立相應(yīng)的具有深刻物理背景的且可考慮使役環(huán)境的表征模型，具有十分重要的理論意義及工程應(yīng)用背景。目前，關(guān)于超高溫陶瓷材料的研究工作主要集中于利用材料的制備工藝提高材料的性能上。研究表明，添加增強相是提高超高溫陶瓷材料力學(xué)性能和抗氧化性能*有前途的手段。 以前很多研究工作都被投入到認識和提高超高溫陶瓷基復(fù)合材料室溫下的斷裂強度上，而對于添加增強相的陶瓷材料，由于增強顆粒或纖維與基體的熱膨脹系數(shù)的不同，當(dāng)從燒結(jié)溫度冷卻到室溫時，在兩相間將產(chǎn)生殘余熱應(yīng)力，從而影響陶瓷基復(fù)合材料的力學(xué)性能。目前殘余熱應(yīng)力的試驗測試方法主要有中子衍射法、拉曼光譜儀法及 X射線衍射法三種方法。中子衍射法測量殘余熱應(yīng)力時耗時較長、價格昂貴，且無法測量材料表面的殘余熱應(yīng)力，而拉曼光譜儀法及 X射線衍射法通常只能用來測試材料表面的殘余熱應(yīng)力。因此利用試驗測量材料內(nèi)部的殘余熱應(yīng)力非常不方便，特別是超高溫陶瓷材料復(fù)雜的使役環(huán)境更加劇了利用試驗研究殘余熱應(yīng)力的難度。目前還沒有材料在不同溫度下的殘余熱應(yīng)力值及其對材料強度性能的影響的研究報道。在理論方面，一些研究者較為普遍接受的理論已經(jīng)建立，但現(xiàn)有的理論模型基本上都沒有考慮使役熱環(huán)境的影響。 對于作為高超聲速飛行器熱防護材料的超高溫陶瓷基復(fù)合材料，在其使役環(huán)境中往往承受復(fù)雜的高溫環(huán)境，因此其高溫下的斷裂強度是一個至關(guān)重要的因素。目前，一些試驗研究報道了有關(guān)超高溫陶瓷基復(fù)合材料在高溫下的斷裂機制及強度。Fahrenholtz團隊(Zhu et al.，2007)報道了 ZrB2和 SiC晶粒尺寸對 ZrB2-SiC復(fù)合材料室溫強度的影響，指出添加的 SiC顆粒對決定材料微觀結(jié)構(gòu)及斷裂強度起著關(guān)鍵性作用。 Hu和 Wang(2010)報道了室溫強度為500MPa的 ZrB2-15%SiC(體積分數(shù)，下同)復(fù)合材料在1800℃時斷裂強度下降到了217MPa。他們指出， ZrB2-SiC復(fù)合材料在1800℃時的斷裂強度主要取決于 ZrB2及 SiC尺寸。 Zhao等(2014)報道了 TiB2-SiC復(fù)合材料在室溫至1200℃下的斷裂強度。由于裂紋彌合及殘余熱應(yīng)力釋放的影響，該復(fù)合材料在800℃時的斷裂強度要高于室溫強度，而當(dāng)溫度升至1000℃以上時，材料斷裂強度衰減嚴重。 Zou等(2012)報道了 ZrB2-20%SiC復(fù)合材料在高純度氬氣環(huán)境下從室溫到1600℃時的斷裂強度。該復(fù)合材料在室溫下斷裂強度為662MPa，當(dāng)溫度升高至1600℃時，材料強度下降至345MPa，而由于裂紋彌合或是殘余熱應(yīng)力釋放的影響，該材料在1300℃時仍保持614MPa的高強度。他們指出，晶粒尺寸、晶粒邊界情況、雜質(zhì)及微損傷都會影響材料高溫下的斷裂強度。 Neuman等(2013)測試了 ZrB2-30%SiC復(fù)合材料在空氣環(huán)境下從室溫至1600℃的斷裂強度，并且發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度升至1400℃以上時材料強度主要取決于氧化層厚度。Song等(2002)報道了碳纖維增強 TiC陶瓷基復(fù)合材料從室溫到1400℃內(nèi)的斷裂強度，從室溫下的593MPa降低到1400℃下的439MPa。Jing等(2015)測試了 SiC纖維增強陶瓷基復(fù)合材料在室溫、1100℃和1300℃下的斷裂強度，并且發(fā)現(xiàn)高溫下的氧化損傷是導(dǎo)致此類材料強度衰減的主要原因。 Volkmann等(2015)測試了多種纖維增強陶瓷基復(fù)合材料高溫下的拉伸強度，實驗研究結(jié)果表明，高溫下復(fù)合材料強度和韌性降低主要是由纖維力學(xué)性能的退化引起的。 從上述已取得的實驗研究成果可以看出，目前已有的關(guān)于超高溫陶瓷基復(fù)合材料斷裂強度的試驗數(shù)據(jù)比較分散，尤其是在高溫下。眾所周知，不同研究者所用的陶瓷基復(fù)合材料由于制備工藝的差異，材料內(nèi)部微缺陷等微觀結(jié)構(gòu)很容易會出現(xiàn)不同。隨著溫度的升高，陶瓷基復(fù)合材料內(nèi)部微
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