基于非傅立葉熱傳導(dǎo)的熱涂層力學(xué)分析.pdf

1、熱涂層(TBCs： Thermal Barrier Coatings)的厚度一般在毫米尺度范圍內(nèi)，與熱涂層有關(guān)的問題，諸如制備工藝、強度、壽命等方面已得到了相當(dāng)廣泛而深入的研究。隨著納米技術(shù)的出現(xiàn)，熱涂層技術(shù)的改進，使得其層厚可以達到微米或納米尺度。大量的試驗研究表明，材料在微/納米尺度下的熱傳導(dǎo)機理與在宏觀尺度下的有明顯的差異，而且，其力學(xué)性能也有所不同。因此對微/納米厚度的熱涂層，原先在宏觀尺度下的熱傳導(dǎo)理論已不再適用，需從微觀熱傳

2、導(dǎo)機理出發(fā)，重新對其進行相應(yīng)的熱力學(xué)分析。本文將非傅立葉熱傳導(dǎo)理論與力學(xué)基本理論相結(jié)合，研究具有微/納米尺度的TBCs的力學(xué)性能。 在研究內(nèi)容上分為三部分，第一部分(第二章)針對熱沖擊條件下的半無限大體，基于非傅立葉熱傳導(dǎo)模型分析了溫度場、應(yīng)力場和單邊裂紋的應(yīng)力強度因子，并與基于傅立葉熱傳導(dǎo)模型分析的結(jié)果進行了比較。第二部分(第三章至第五章)針對熱沖擊條件下的納米厚度熱涂層結(jié)構(gòu)，將非傅立葉熱傳導(dǎo)模型(用于熱涂層)和傅立葉熱傳導(dǎo)模

3、型(用于結(jié)構(gòu)層)相結(jié)合，采用數(shù)值方法求解其溫度場，并與完全采用傅立葉熱傳導(dǎo)模型得到的結(jié)果進行了比較，同時分析了熱涂層參數(shù)(松弛時間、聲子速度)對溫度場的影響。將前面所得的溫度場作為熱載荷，建立了有限元模型，得到了應(yīng)力場，并和基于傅立葉熱傳導(dǎo)模型得到的結(jié)果進行了比較，研究了熱涂層參數(shù)(松弛時間、聲子速度)對應(yīng)力場的影響。用數(shù)值方法分析了單邊裂紋問題，得到了基于非傅立葉熱傳導(dǎo)模型的J積分，并和基于傅立葉熱傳導(dǎo)模型得到的結(jié)果進行了比較，研究了

4、熱涂層參數(shù)(松弛時間、聲子速度)對J積分的影響。第三部分(第六章)針對熱沖擊條件下的梯度熱涂層結(jié)構(gòu)，用數(shù)值方法得到了溫度場和應(yīng)力場，研究了熱涂層參數(shù)(松弛時間、聲子速度)梯度分布對溫度場的影響以及熱涂層力學(xué)性能(彈性模量、熱膨脹系數(shù))梯度分布對熱應(yīng)力的影響。 本文得到的主要結(jié)論如下： 1、半無限大體在熱沖擊條件下，基于非傅立葉熱傳導(dǎo)模型得到的溫度梯度(隨時間和空間)比基于傅立葉熱傳導(dǎo)模型得到的結(jié)果小。在半無限大體表面附近

5、，基于非傅立葉熱傳導(dǎo)模型得到的應(yīng)力最大值比基于傅立葉熱傳導(dǎo)模型得到的結(jié)果大，而在半無限大體內(nèi)部，基于非傅立葉熱傳導(dǎo)模型得到的應(yīng)力最大值比基于傅立葉熱傳導(dǎo)模型得到的結(jié)果小。當(dāng)裂紋較短時，基于非傅立葉熱傳導(dǎo)模型得到的應(yīng)力強度因子最大值比基于傅立葉熱傳導(dǎo)模型得到的結(jié)果高；當(dāng)裂紋較長時，基于非傅立葉熱傳導(dǎo)模型得到的應(yīng)力強度因子最大值比基于傅立葉熱傳導(dǎo)模型得到的結(jié)果小。 2、對于納米厚度的熱涂層，基于非傅立葉熱傳導(dǎo)模型得到的溫度梯度(隨時

6、間和空間)明顯比基于傅立葉模型得到的小。在熱涂層表面，基于非傅立葉熱傳導(dǎo)模型得到的應(yīng)力最大值比基于傅立葉熱傳導(dǎo)模型得到的結(jié)果大，在熱涂層內(nèi)部，基于非傅立葉熱傳導(dǎo)模型得到的應(yīng)力最大值比基于傅立葉熱傳導(dǎo)模型得到的結(jié)果小?；诜歉盗⑷~熱傳導(dǎo)模型得到，積分比基于傅立葉熱傳導(dǎo)模型得到的結(jié)果小。同時，隨著松弛時間、聲子速度的降低，溫度梯度(隨時間和空間)降低；在熱涂層表面，隨著松弛時間、聲子速度的降低，應(yīng)力最大值增加；在熱涂層內(nèi)部，隨著松弛時間、聲