高温陶瓷材料热冲击抗力理论与实验研究

论文摘要

高温陶瓷材料具有优异的力学、热物理性能以及较高的化学稳定性,一直以来,高温陶瓷材料都用作高温领域的主要候选材料,近年来以ZrB2基陶瓷材料为代表的超高温陶瓷材料有望成为未来可返回飞行器最具前景的结构材料。然而高温陶瓷材料在服役环境下会受到由于温度剧变产生的热冲击影响,所以其抗热冲击性能的好坏是评定该种材料能否应用的重要指标。本文通过对材料抗热冲击评价理论的分析,比较了适用于评价ZrB2基高温陶瓷材料抗热冲击性能的各种抗热冲击因子R,通过实验验证了热应力断裂理论适用性。研究裂纹扩展与陶瓷材料热冲击抗力之间的影响关系进行了分析,利用Viker压痕法和包络线法测定裂纹扩展阻力R曲线,得出了两种材料体系热冲击抗力差异的机理。本文针对两种含有不同第三项添加物的ZrB2-SiC材料体系,在2001500℃范围内进行热冲击试验,测量其剩余弯曲强度。在热冲击温差为400℃左右时该两种材料体系剩余强度发生突降。从剩余强度随温差变化曲线可以看出,添加石墨的陶瓷材料（简称ZSC）相对于添加AlN的陶瓷材料（简称ZSA）有更好的抗热冲击性能,其原因主要有:1、ZSC具有相对较高的热导率和相对较低的热膨胀系数;2、石墨的引入增加了软相的份额,能够消耗掉引起裂纹扩展的能量,所以ZSC具有更为明显的上升阻力曲线和更好的抗热冲击性能。本文分析了热冲击试验中热载荷因素对材料性能的影响。计算了热冲击试验的Biot数值。分析了材料表面粗糙度、表面氧化、材料组分以及显微结构对高温陶瓷材料抗热冲击性能的影响。试验和分析结果表明,对于晶粒尺寸大、内部缺陷少、表面光滑的ZrB2基高温陶瓷材料其热冲击性能较好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景、目的及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国内外理论研究
• 1.2.2 国内外试验方法研究
• 1.2.3 国内外抗热冲击影响因素研究
• 1.3 研究内容与方法
• 第2章 高温陶瓷材料热冲击抗力的理论基础
• 2.1 抗热冲击理论
• 2.1.1 热应力断裂理论
• 2.1.2 热冲击损伤理论
• 2.1.3 断裂发生与裂纹扩展的统一理论
• 2.1.4 三种理论的比较与应用
• 2.2 传统与现代热冲击抗力模型比较
• 2.2.1 传统的热冲击阻力评价模型
• 2.2.2 热冲击阻力评价的现代模型
• 2.3 裂纹扩展与热冲击性能关系
• 2.3.1 热冲击下高温陶瓷裂纹扩展历程
• 2.3.2 R阻力曲线与陶瓷抗热冲击性能关系
• 2.4 本章小结
• 第3章 高温陶瓷材料基本性能测试及热冲击实验
• 3.1 实验方案
• 3.2 材料成分及制备工艺
• 2陶瓷原料'>3.2.1 ZRB₂陶瓷原料
• 3.2.2 混料工艺
• 3.2.3 热压工艺
• 3.3 力学性能与热学性能测试
• 3.3.1 三点弯曲实验
• 3.3.2 单轴拉伸实验
• 3.3.3 单轴压缩试验
• 3.3.4 断裂韧性测量
• 3.4 维氏硬度测量
• 3.5 热物性能参数测量
• 3.6 热冲击试验
• 3.6.1 试验设备
• 3.6.2 热冲击试验过程及断口分析
• 3.7 本章小结
• 第4章 热冲击条件对高温陶瓷材料热冲击抗力影响
• 4.1 Biot数对热冲击抗力的影响
• 4.2 二次热冲击对陶瓷材料抗热冲击性能的影响
• 4.3 本章小结
• 第5章 材料性质对高温陶瓷材料热冲击抗力影响
• 5.1 表面粗糙度对陶瓷材料热冲击抗力影响
• 5.2 表面氧化对抗热冲击性能的影响
• 5.3 材料的组分对抗热冲击性能的影响
• 5.4 显微结构对抗热冲击性能的影响
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢