ZrB2-SiC基超高溫陶瓷材料熱沖擊失效行為的研究.pdf

1、硼化物基超高溫陶瓷材料(ultra high temperature ceramic簡稱UHTC)具有高熔點、耐腐蝕、在高溫下能夠保持力學(xué)和化學(xué)穩(wěn)定性等一系列優(yōu)點，因而該材料成為新型天地往返飛行器、高超聲速飛行器和火箭推進系統(tǒng)等最具前景的候選材料。但由于陶瓷材料的本征脆性，使得 UHTC在熱沖擊環(huán)境下容易發(fā)生災(zāi)難性的破壞。大幅度提高 UHTC的抗熱沖擊性能、對 UHTC的抗熱沖擊性能進行合理準確的表征是有待解決的問題。基于此背景，本文圍

2、繞 UHTC的熱沖擊失效問題主要開展了以下幾方面的工作：
　　提高材料的斷裂性能可以在一定程度上提高材料的抗熱沖擊性能，因此本文首先從影響斷裂性能的主要因素入手，分析材料的殘余應(yīng)力、微觀結(jié)構(gòu)、應(yīng)變速率和應(yīng)力集中狀態(tài)對材料斷裂行為的影響，為提高材料的抗熱沖擊性能提供指導(dǎo)。結(jié)果表明：ZrB2晶粒熱膨脹各向異性產(chǎn)生的殘余應(yīng)力不可忽略，異常長大的ZrB2晶粒周圍晶界以及晶界能較低處是容易發(fā)生晶界損傷或開裂的位置，控制ZrB2晶粒尺寸的大小

3、以及尺寸分布的均勻性對提高材料的斷裂性能具有重要的意義；在UHTC中添加C形成的石墨片層微觀結(jié)構(gòu)能夠提高UHTC的裂紋擴展阻力，增大晶粒尺度也能提高UHTC的裂紋擴展阻力，但后者對裂紋擴展阻力的提升幅度相對較小；通過對UHTC進行不同加載速率的三點彎曲試驗研究發(fā)現(xiàn)，不同應(yīng)變速率下測試得到的材料強度各異，即應(yīng)變速率對彎曲應(yīng)力存在一定的貢獻，應(yīng)變速率越大對彎曲應(yīng)力的貢獻越大；針對添加C的UHTC切口試樣進行三點彎曲試驗研究發(fā)現(xiàn)，C的添加能夠

4、降低材料的切口敏感性，因此在UHTC中添加適量C可以降低構(gòu)件形狀過渡處的應(yīng)力集中狀態(tài)。
　　采用淬火方法研究UHTC的抗熱沖擊性能，主要從UHTC的微觀結(jié)構(gòu)和淬火環(huán)境兩個方面研究影響 UHTC抗熱沖擊性能的因素及規(guī)律。結(jié)果表明：由于石墨片層微觀結(jié)構(gòu)能夠很大程度上提高材料的裂紋擴展阻力，所以添加 C的UHTC淬火后具有相對較高的剩余強度保持率；晶粒尺度的減小提高了UHTC的材料強度，從而提高了 UHTC的臨界淬火溫差，但由于工藝所限

5、，較小晶粒尺度的UHTC的材料強度分散性較大，淬火后材料的力學(xué)性能穩(wěn)定性較差；淬火后材料的表面裂紋密度不是剩余強度衰減的主要影響因素，裂紋擴展深度穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，因此裂紋擴展深度是影響剩余強度的主要因素；不同介質(zhì)與UHTC之間的換熱系數(shù)不同，所以同一材料在不同介質(zhì)中淬火表現(xiàn)出的抗熱沖擊性能不同。通過有限元分析表明，表面換熱系數(shù)與淬火溫差都是通過影響表面換熱速率使材料發(fā)生破壞的，即控制熱沖擊破壞行為的本質(zhì)因素是材料表面的換熱速率。

6、>　　建立考慮應(yīng)變速率影響的熱沖擊理論模型和淬火過程中試樣表面裂紋的擴展模型，并針對ZrB2+20％SiC+5%AlN這種材料的淬火熱應(yīng)力及裂紋擴展深度進行理論預(yù)測。結(jié)果表明：淬火過程中的動態(tài)熱應(yīng)力遠大于準靜態(tài)熱應(yīng)力，因此淬火過程中需要考慮動態(tài)熱應(yīng)力的影響；對于非貫穿的表面裂紋，在整個淬火過程中的擴展深度c<0.6H(H=1.5mm，為試樣半厚)，與淬火試驗(0.2H　　搭建UHTC局部快速升溫試驗平

7、臺，為實現(xiàn)材料局部升溫?zé)釠_擊提供一種簡單易行的方法。利用該設(shè)備對ZrB2+20%SiC和ZrB2+20%SiC+10%C進行局部熱沖擊試驗表征。結(jié)果表明：UHTC局部升溫速率可達500℃/s，可以實現(xiàn)局部熱沖擊；通過計算分析得出，在試驗過程中UHTC內(nèi)部ZrB2和SiC之間熱膨脹不匹配產(chǎn)生的熱應(yīng)力遠大于溫度梯度引起的熱應(yīng)力，但產(chǎn)生裂紋的方向由后者產(chǎn)生的熱應(yīng)力控制；由于ZrB2+20%SiC+10%C具有相對較高的裂紋擴展阻力，這種材料在