熱沖擊作用下多晶陶瓷微結(jié)構(gòu)分形特征及損傷行為研究.pdf

1、陶瓷材料具備耐高溫、抗氧化、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等一系列優(yōu)勢,在國防、航空航天、新型工業(yè)等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。但是,陶瓷因為其固有脆性,在快速加熱或者由高溫極速冷卻的過程中容易產(chǎn)生微裂紋,微裂紋迅速增多、擴(kuò)展及連通等損傷行為可能導(dǎo)致材料發(fā)生災(zāi)難性破壞。因此,提高脆性陶瓷材料抗熱沖擊性能一直是熱結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用中所面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。如何表征陶瓷材料微觀結(jié)構(gòu),并建立微結(jié)構(gòu)與熱沖擊性能的聯(lián)系,從而深入了解影響陶瓷抗熱沖擊性能的各種因素,是設(shè)計優(yōu)化材

2、料以至提高其抗熱沖擊性能的一個十分重要的課題。
　　熱沖擊下陶瓷中裂紋成核與擴(kuò)展等損傷行為嚴(yán)重影響了材料性能,是導(dǎo)致陶瓷破壞的最本質(zhì)因素。本文通過水淬熱沖擊實(shí)驗,研究了多晶單相Al2O3陶瓷在不同水淬溫度下材料表面裂紋形貌以及強(qiáng)度衰減規(guī)律。基于ZrB2-基超高溫陶瓷良好的導(dǎo)電性,通過電阻熱沖擊實(shí)驗,研究了多晶復(fù)相ZrB2-SiC在不同熱沖擊次數(shù)及升溫速率下剩余強(qiáng)度的變化規(guī)律,分析了氧化表面玻璃相以及氧化層內(nèi)孔洞對剩余強(qiáng)度的耦合作用

3、。
　　針對傳統(tǒng)歐式空間幾何方法不能完全描述材料不規(guī)則、不均勻幾何特征的客觀事實(shí),應(yīng)用圖像預(yù)處理方法合理地提取了陶瓷熱沖擊實(shí)驗中裂紋、斷口以及氧化表面的幾何信息,并采用分形這種非線性幾何方法對其進(jìn)行刻畫,定性地分析了微結(jié)構(gòu)分形維數(shù)與陶瓷宏觀力學(xué)性能的聯(lián)系。對于Al2O3陶瓷水淬熱沖擊后的裂紋形貌,通過盒計維數(shù)法計算了擴(kuò)展的表面宏觀裂紋分形維數(shù),在此基礎(chǔ)上對比了不同晶粒尺寸陶瓷的裂紋分形維數(shù)變化趨勢及剩余強(qiáng)度衰減規(guī)律。進(jìn)一步通過相似

4、維數(shù)法,建立了裂紋分叉分形維數(shù)模型,給出了分形維數(shù)隨分叉角度的變化規(guī)律。此外,應(yīng)用三維白光干涉技術(shù)測量陶瓷斷口表面形貌,并計算出斷口分形維數(shù),揭示了不同材料斷裂強(qiáng)度隨斷口分形維數(shù)的變化規(guī)律。計算了ZrB2-SiC超高溫陶瓷氧化表面玻璃相分形維數(shù),從而度量了玻璃相在氧化表面的覆蓋情況,結(jié)合氧化層內(nèi)孔洞分形維數(shù)的變化趨勢,初步分析了陶瓷熱沖擊后強(qiáng)度變化的原因。
　　臨界溫差與熱沖擊后材料剩余強(qiáng)度是評價陶瓷抗熱沖擊性能的兩個關(guān)鍵因素,有

5、必要給出陶瓷微結(jié)構(gòu)分形維數(shù)與如上抗沖擊性能的定量關(guān)系。首先,通過分形裂紋長度與平直裂紋長度的投影關(guān)系,給出了裂紋做分形擴(kuò)展與平直擴(kuò)展的臨界裂紋擴(kuò)展力的關(guān)系。并針對陶瓷不同晶粒形狀及斷裂模式,計算了初始裂紋分形維數(shù)。在以上分析和計算的基礎(chǔ)上,基于Hasslman經(jīng)典抗熱沖擊臨界溫差模型,建立了多晶脆性陶瓷裂紋分形維數(shù)與熱沖擊臨界溫差之間的關(guān)系。指出陶瓷制備中通過改變材料微觀結(jié)構(gòu),從而增大初始裂紋分形維數(shù),可以提高材料的熱沖擊臨界溫差。其次

6、,建立了陶瓷材料熱沖擊下統(tǒng)計剩余強(qiáng)度分形模型,給出了熱沖擊后陶瓷材料的強(qiáng)度衰減比,深入分析了裂紋數(shù)量以及裂紋分形維數(shù)對強(qiáng)度衰減比的影響。最后,考慮了陶瓷熱沖擊后裂紋分叉的影響,分析了分形維數(shù)及陶瓷斷裂韌性隨裂紋分叉角度的變化規(guī)律,進(jìn)而拓寬了對陶瓷統(tǒng)計剩余強(qiáng)度分形模型的涵義。
　　針對建立的熱沖擊臨界溫差分形模型與統(tǒng)計剩余強(qiáng)度分形模型,結(jié)合具體的陶瓷結(jié)構(gòu)和性能,對分形模型有效性進(jìn)行了驗證。通過熱沖擊臨界溫差分形模型,對Al2O3、Z