[發明專利]層狀陶瓷基復合材料熱?損傷耦合強度間接測量方法

在審

• 申請號: 201710753234.7
• 申請日: 2017-08-29
• 公開（公告）號: CN107421838A
• 公開（公告）日: 2017-12-01
• 發明（設計）人: 王如轉;李衛國;李定玉;邢安;賈碧;張均;王靜;李曉博
• 申請（專利權）人: 重慶科技學院
• 主分類號: G01N3/60
• 分類號: G01N3/60;G01N3/18
• 代理公司: 重慶蘊博君晟知識產權代理事務所(普通合伙)50223
• 代理人: 鄭勇

技術領域

本發明涉及一種層狀陶瓷基復合材料熱-損傷耦合強度間接測量方法。

背景技術

目前，以高速、高機動的遠距離精確打擊為主要技術特征的高超聲速飛行器的研制已成為世界軍事熱點。以硼化鋯為主要代表的超高溫陶瓷基復合材料因其優異的力學、熱學及抗氧化等性能而被廣泛應用于高超聲速飛行器的熱防護材料體系。然而，陶瓷材料固有的脆性仍然是限制陶瓷基復合材料應用和發展空間的嚴重障礙，尤其是在復雜極端環境下的應用。層狀陶瓷基復合材料的設計大大提升了材料的斷裂韌性，其在高溫結構領域將有著廣闊的應用和發展空間。

鑒于作為高超聲速飛行器熱防護材料的陶瓷材料在不同溫度下使用時都必須達到的高精度設計要求以提高其應用可靠性，研究層狀陶瓷基復合材料在熱-力耦合作用下的斷裂強度就顯得非常重要和必要，其已成為衡量材料可靠性的重要參數。提高陶瓷基復合材料的高溫斷裂強度一直以來就是行業追求的目標，而這自然與高溫強度的測試及其合理表征相關聯。目前，關于層狀材料高溫強度的研究主要以實驗為主，但是已報道的實驗結果其研究的最高溫度都比較低，遠沒有達到高超聲速飛行器使役環境溫度的實際要求(大于2000℃)。同時，開展材料在不同溫度下的斷裂強度測試實驗非常不方便，因為強度實驗屬于一系列的破壞性實驗，一個系統的高溫斷裂強度測試實驗需要測試大量的試件及溫度點，會花費大量的時間，從而消耗大量的人力及物力。

另外，陶瓷基復合材料由于制備工藝的差異材料內部微缺陷等微觀結構很容易會出現不同，隨著溫度的升高，陶瓷基復合材料內部微結構也會發生變化，這些都會導致材料的高溫斷裂強度及斷裂機制出現很大的不同，從而導致不同溫度下的材料強度的實驗結果的不準確。

為了避免高溫強度實驗帶來的困難，通過理論預測層狀陶瓷基復合材料熱-損傷耦合強度為人們提供了一個研究方向，然而目前，在理論方面層狀陶瓷基復合材料高溫斷裂強度的理論表征仍然是一個尚未解決的問題，層狀陶瓷基復合材料熱-損傷耦合強度的預測是一個尚未解決的技術難題，這嚴重制約了這類材料的研制和應用。

發明內容

針對現有技術中的缺陷，本發明提供一種層狀陶瓷基復合材料熱-損傷耦合強度間接測量方法，其能預測在各溫度下層狀陶瓷基復合材料熱-損傷耦合強度。

本發明技術方案如下：

一種層狀陶瓷基復合材料熱-損傷耦合強度間接測量方法，其關鍵在于：依據測得的陶瓷基復合材料彈性模量與熱膨脹系數隨溫度變化的實驗數據/經驗公式、參考溫度下陶瓷基體的斷裂表面能、層狀結構參數，建立可計及溫度、溫度相關性彈性模量、溫度相關性熱膨脹系數影響的層狀材料熱-損傷耦合強度的數學式模型，計算不同溫度下層狀陶瓷基復合材料熱-損傷耦合強度。

建立可計及溫度、溫度相關性彈性模量、溫度相關性熱膨脹系數影響的層狀材料熱-損傷耦合強度的數學式模型的步驟包括：

步驟一、建立層狀陶瓷基復合材料不同溫度下層間殘余熱應力與彈性模量及熱膨脹系數的數學模型為

式中，σ_res1(T)為材料1層所受的溫度相關性殘余熱應力即σ_res1(T)為溫度T下對應的材料1層殘余熱應力，σ_res2(T)為材料2層所受的溫度相關性殘余熱應力，α₁(T)和α₂(T)分別為材料1層和材料2層的溫度相關性熱膨脹系數，E₁(T)和E₂(T)分別為材料1層和材料2層的溫度相關性彈性模量，ν₁(T)和ν₂(T)分別為材料1層和材料2層的溫度相關性泊松比，d₁和d₂分別為材料1層和材料2層的厚度，n為材料2層的層數，n+1為材料1層的層數，T_s為燒結溫度，T為溫度；

步驟二、建立溫度相關性裂紋尖端總的應力強度因子的數學式模型為

式中，K(T)為材料1層溫度相關性裂紋尖端總的應力強度因子，σ_a為外部應力，R為材料1層顆粒尺寸，s為材料1層缺陷尺寸，P(T)為材料1層溫度相關性兩相間殘余熱應力，A為應力釋放因子，C＝R+s；

步驟三、建立材料的溫度相關性斷裂韌性數學式模型為

式中，K_IC(T)為陶瓷基復合材料溫度相關性斷裂韌性，γ(T)為陶瓷基體的溫度相關性斷裂表面能；