ZrB2-SiC基超高溫陶瓷復(fù)合材料失效機(jī)制的表征與評價.pdf

1、以高超聲速、高機(jī)動的遠(yuǎn)距離精確打擊為主要技術(shù)特征的高超聲速武器已成為世界軍事熱點，將對未來戰(zhàn)爭概念和模式帶來一場革命，可以毫不夸張地說，高超聲速飛行器的出現(xiàn)將給人類生活帶來極為深遠(yuǎn)的影響。比起傳統(tǒng)武器，高超聲速武器具有極大的效能優(yōu)勢，可以有效減少防御響應(yīng)時間，增強武器突防和反防御能力，擴(kuò)大發(fā)射平臺范圍，提高武器生存能力、作戰(zhàn)效能和效率。高超聲速、長時間的服役特征對武器裝備的防熱材料和結(jié)構(gòu)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，尤其是對抗氧化材料的耐溫極限和耐

2、久性、高溫氧化和復(fù)雜載荷條件下的輕質(zhì)強韌化性能提出了苛刻的要求。
　　ZrB2-SiC基超高溫陶瓷材料具有高熔點、高硬度、高導(dǎo)熱率、優(yōu)異的高溫強度和抗氧化性等特點，因此作為新一代熱防護(hù)材料受到廣泛關(guān)注，國外較先進(jìn)的超高聲速飛行器上已經(jīng)對超高溫陶瓷材料進(jìn)行了一定的應(yīng)用。由于超高溫陶瓷材料的研究在國內(nèi)尚處在起步階段，對材料在使用過程中的失效機(jī)制并不是十分清楚，材料失效過程的表征與評價方法也比較有限。因此，認(rèn)清材料在使用過程中的失效機(jī)制

3、，表征材料在使用過程中的失效過程，預(yù)報材料性能與使用溫度及使用時間的關(guān)系成為提高超高溫陶瓷材料可靠性和使用壽命的關(guān)鍵。
　　本文針對ZrB2-SiC基超高溫陶瓷材料在使用過程中的失效機(jī)制進(jìn)行了理論、實驗以及數(shù)值模擬等方面的研究，獲得了材料在熱沖擊、氧化以及高溫長時使用過程中發(fā)生破壞的主要影響因素。為進(jìn)一步提高材料的性能以及對材料進(jìn)行設(shè)計提供了一定的理論依據(jù)。
　　首先研究了超高溫陶瓷的抗熱沖擊性能，建立了考慮表面換熱條件下材

4、料的熱沖擊傳熱模型以及熱應(yīng)力的差分格式，通過計算表明表面換熱系數(shù)以及材料的特征尺寸是影響材料熱沖擊性能的主要因素。為了驗證這一結(jié)論，實驗研究了不同尺寸試樣的熱沖擊性能，結(jié)果表明超高溫陶瓷材料的熱沖擊性能存在明顯的尺寸效應(yīng)，這種尺寸效應(yīng)能夠通過上述模型很好地表征。在試驗的過程中還討論了不同添加劑對材料的室溫破壞模式及熱沖擊破壞模式的影響，以及殘余熱應(yīng)力對材料熱沖擊性能的影響。
　　通過上述計算還可以發(fā)現(xiàn)材料的表面換熱系數(shù)能夠顯著影響

5、材料的抗熱沖擊性能，因此對超高溫陶瓷材料進(jìn)行了設(shè)計，通過預(yù)氧化過程中材料表面形成的氧化膜大幅降低材料表面的換熱系數(shù)。對預(yù)氧化材料進(jìn)行了熱沖擊實驗表明，預(yù)氧化方法確實能夠顯著提高材料的抗熱沖擊性能，提高幅度在40％以上。預(yù)氧化過程中表面氧化物的成分與形貌是影響預(yù)氧化效果的主要因素，而預(yù)氧化時間對于效果的影響比較有限。預(yù)氧化方法除了能夠提高材料的抗熱沖擊性能以外還能夠彌合在加工過程中試樣的表面缺陷；同時氧化物層的熱輻射性能較高，在材料真實的

6、使用過程中能夠減少熱量的吸收，因此預(yù)氧化方法對于提高材料在真實環(huán)境下的熱沖擊性能有較大的幫助。
　　用水淬法測試材料熱沖擊性能的過程中水槽溫度對結(jié)果的影響非常明顯。通過引入沸騰換熱的概念，建立了氣泡對材料熱沖擊性能影響的模型，通過數(shù)值模擬很好的解釋了實驗中出現(xiàn)的現(xiàn)象，并通過材料在液氮中的熱沖擊實驗驗證了上述模型的有效性。
　　由于氧化破壞是材料的主要破壞模式之一，本文研究了材料的氧化破壞過程，針對氧化過程中出現(xiàn)的 SiC耗盡

7、層建立了氧化動力學(xué)模型，以氧化過程中質(zhì)量守恒以及固體相體積守恒為基礎(chǔ)，并應(yīng)用反應(yīng)速率方程得到了 SiC耗盡層孔隙率與氧化時間的關(guān)系?？紫堵孰S著氧化時間的增加先上升后下降，材料內(nèi)的 SiC含量越高 SiC耗盡層的孔隙率越高。通過不同 SiC含量的 ZrB2-SiC材料在1800℃的靜態(tài)氧化實驗以及灰度提取與二值化處理技術(shù)驗證了上述模型的有效性?？紤]氧化過程中的相變以及出現(xiàn)的孔洞，利用細(xì)觀力學(xué)計算了 SiC耗盡層的彈性性能的衰減，并建立了二

8、維孔洞演化模型，給出了由于孔洞的出現(xiàn) SiC耗盡層強度的衰減規(guī)律。
　　針對材料在高溫長時使用過程中的性能劣化建立了材料在高溫下的晶界相軟化流動模型，給出了晶界相受力的影響因素。通過計算表明材料內(nèi)部顆粒尺寸的不均勻性會導(dǎo)致晶界上的應(yīng)力集中，顆粒的尺寸越大分布越不均勻應(yīng)力集中現(xiàn)象越明顯；晶界上的雜質(zhì)同樣會導(dǎo)致20~30倍的應(yīng)力集中，這些由于微結(jié)構(gòu)引起的應(yīng)力集中是材料在高溫長時使用過程中缺陷形核的根本原因。在討論了材料內(nèi)部缺陷如何成核

9、的基礎(chǔ)上建立了晶界相孔洞擴(kuò)展以及連通模型，得到了孔洞成核后擴(kuò)展到完整晶界尺寸的影響因素，給出了材料在長時高溫使用過程中內(nèi)部缺陷的形成與演化規(guī)律。
　　另外，對于超高溫陶瓷材料在高溫下的性能以及裂紋擴(kuò)展模式嘗試通過分子動力學(xué)方法進(jìn)行分析，本文針對SiC材料利用Tersoff三體勢函數(shù)模擬了材料在高溫下的性能及破壞過程。結(jié)果表明在溫度較低時，材料的破壞過程完全符合脆性斷裂的特點。當(dāng)溫度高于1200℃后，材料的斷裂模式發(fā)生了一定的轉(zhuǎn)變，