超高溫陶瓷材料熱-損傷耦合強度間接測量方法
超高溫陶瓷材料熱-損傷耦合強度間接測量方法
【專利摘要】本發明公開了超高溫陶瓷材料熱-損傷耦合強度間接測量方法，該方法依據測得的超高溫陶瓷材料彈性模量隨溫度變化的實驗數據和參考溫度下的彈性模量，建立不同溫度下材料熱-損傷耦合強度與彈性模量的數學式模型，計算與超高溫陶瓷材料彈性模量對應的溫度下的材料熱-損傷耦合強度。本發明的技術效果是：實現了在各溫度下材料熱-損傷耦合強度的可靠預測。
【專利說明】超高溫陶瓷材料熱-損傷耦合強度間接測量方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種超高溫陶瓷材料的強度間接測量方法。
【背景技術】
[0002] 超高溫陶瓷（UltraHighTemperatureCeramics，簡稱UHTCs)是指在超過2000°C 以上有氧氣等條件下仍能照常使用的最耐熱高級陶瓷，該超高溫陶瓷材料在溫度達到 1600°C時仍具有較好的抗氧化性，它主要應用于高超音速導彈、航天飛機等飛行器的熱防 護系統如翼前緣、端頭帽和發動機的熱端。
[0003] 本專利申請中所述的高溫強度是指溫度在1200°C-3200°C范圍內的材料強度。作 為超高聲速飛行器熱防護材料的超高溫陶瓷材料，其高溫強度是衡量材料可靠性的重要參 數。提高超高溫陶瓷材料的高溫強度一直以來就是行業追求的目標，這自然與高溫強度的 測量相關聯。目前，有關高溫強度的研究側重于實驗研究，實驗測試的溫度還比較低，遠遠 達不到高溫強度的測試條件，低溫測試無法獲得高溫強度的數據。
[0004]目前，高溫強度測試的難度很大，實驗費用昂貴，沒有統一的測試方法和標準，測 試值分散性大。強度實驗屬于一系列的破壞性實驗，需要一系列的試件，對陶瓷材料由于存 在初始缺陷和工藝差異較大，將導致溫度T下對應的材料強度（〇th(T))的實驗結果不準 確；與之相對，溫度T下對應的彈性模量（E(T))只需使用同一個試件進行實驗即可，一次實 驗就可得到一系列彈性模量E(T)的數據，避免了因試件差異帶來的實驗結果的不準確。
[0005] 在高溫下的陶瓷三點彎曲實驗用于高溫強度（〇th(T))的預測，由于超高溫陶瓷 材料隨著溫度的升高其拉壓各向異性逐漸增強，需要對三點彎強度計算公式進行修正以消 除其拉壓各向異性的影響，但是，在不同溫度下如何對三點彎強度計算公式做出合理的修 正本身就是一個尚未解決的難題。
[0006] 帶微裂紋的超高溫陶瓷材料的高溫斷裂強度稱為熱-損傷耦合強度，因為超高溫 陶瓷材料的高溫強度預測屬于目前尚未解決的技術難題，所以超高溫陶瓷材料熱-損傷耦 合強度的預測同樣是本領域內的技術難題。
【發明內容】
[0007] 本發明所要解決的技術問題就是提供一種超高溫陶瓷材料熱-損傷耦合強度間 接測量方法，它能預測在各溫度下材料熱-損傷耦合強度。
[0008] 本發明所要解決的技術問題是通過這樣的技術方案實現的，依據測得的超高溫 陶瓷材料彈性模量隨溫度變化的實驗數據和參考溫度下彈性模量，建立不同溫度下材料 熱-損傷耦合強度與彈性模量的數學式模型，計算與超高溫陶瓷材料彈性模量對應的溫度 下的材料熱 -損傷稱合強度。
[0009] 由于建立了不同溫度下材料熱-損傷耦合強度與彈性模量的數學式模型，且該數 學式模型中沒有任何擬合參數；數學式模型中，材料彈性模量隨溫度變化的實驗數據容易 從實驗得到，參考溫度下的彈性模量能通過實驗容易得到，熱容、泊松比、熔化熱等可以很 容易地從材料手冊查到，由此計算預測的材料熱-損傷耦合強度避免了高溫強度實驗帶來 的困難，實現了在現有條件下用數學式模型進行材料熱-損傷耦合強度的預測，數學式模 型揭示了影響材料熱-損傷耦合強度的物理機理。
[0010] 本發明的技術效果是：實現了在各溫度下材料熱-損傷耦合強度的可靠預測。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011] 本發明的【專利附圖】
【附圖說明】如下：
[0012] 圖1為Tie陶瓷材料的彈性模量E(T)隨溫度變化的曲線圖；
[0013] 圖2為TiC陶瓷材料預測的高溫強度〇th⑴隨溫度變化的曲線圖；
[0014] 圖3為不同溫度T下的（A〇th/Al)隨A1變化關系曲線；
[0015] 圖4為不同溫度T下的（A〇th/AE)隨AE變化關系曲線。
【具體實施方式】
[0016] 本發明的構思是：對超高溫陶瓷材料高溫強度試驗測量的難點進行簡化，從易獲 得的參數如材料彈性模量、定壓熱容、泊松比、熔化熱等出發，建立超高溫陶瓷材料熱-損 傷耦合強度數學式模型。
[0017] 下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明：
[0018] 本方法發明是：依據測得的超高溫陶瓷材料彈性模量隨溫度變化的實驗數據和參 考溫度下的彈性模量，建立不同溫度下材料熱-損傷耦合強度與彈性模量的數學式模型， 計算與超高溫陶瓷材料彈性模量對應的溫度下的材料熱-損傷耦合強度。
[0019] 建立不同溫度下材料熱-損傷耦合強度與彈性模量的數學式模型的步驟如下：
[0020] 第一步、建立材料初始損傷狀態的不同溫度下強度與彈性模量的數學式模型
[0021] 該數學式模型建立的基本設想是：①、對一種特定材料，認為其存在一個儲能極 限，即材料發生破壞時對應一個固定不變的能量最大值，這個最大值可以用應變能表征，也 可以用熱能進行表征。②、從對材料的破壞效果講，認為材料儲存的熱能與應變能之間存在 一種定量的等效關系。
[0022] 由以上設想得到單位體積材料的儲能極限值為
【權利要求】
1. 超高溫陶瓷材料熱-損傷耦合強度間接測量方法，其特征是：依據測得的超高溫陶 瓷材料彈性模量隨溫度變化的實驗數據和參考溫度下的彈性模量，建立不同溫度下材料 熱-損傷耦合強度與彈性模量的數學式模型，計算與超高溫陶瓷材料彈性模量對應的溫度 下的材料熱-損傷稱合強度。
2. 根據權利要求1所述的超高溫陶瓷材料熱-損傷耦合強度間接測量方法，其特征是 建立不同溫度下材料熱-損傷耦合強度與彈性模量的數學式模型的步驟包括： 第一步、建立材料初始損傷狀態的不同溫度下強度與彈性模量的數學式模型為
式中，〇 th⑴為溫度T下對應的材料強度，E(T)為溫度T下對應的彈性模量，<為參 考溫度〇°C下的材料強度，Etl為參考溫度0°C下的材料彈性模量，Cp(T)為溫度T下對應的 定壓熱容，△ Hm為熔化熱，Tm為材料的熔點； 第二步、建立參考溫度下與材料損傷相關的強度的數學式模型為
式中，cr/為臨界斷裂強度，為斷裂能，Etl為參考溫度下材料無裂紋時的彈性模量， V為泊松比，1為裂紋的半長，N為單位體積中的裂紋數； 第三步、建立超高溫陶瓷材料熱-損傷耦合強度數學式模型為
式中，〇 th(T，1)為熱-損傷耦合強度，K1。為材料平面應變斷裂韌度，E (T，N，1)為溫度 T下對應的存在裂紋時的彈性模量，Etl為參考溫度下材料無裂紋時的彈性模量，V為泊松 比，V為單個損傷體積，a為損傷形狀系數，Cp(T)為溫度T下對應的定壓熱容，AHm為熔化 熱，Tm為材料的熔點。
【文檔編號】G01N3/00GK104330300SQ201410682680
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年11月24日 優先權日:2014年11月24日
【發明者】李衛國, 麻建坐, 王如轉, 李定玉, 成天寶, 張曦蓓, 方岱寧 申請人:重慶大學
【專利摘要】本發明公開了超高溫陶瓷材料熱-損傷耦合強度間接測量方法，該方法依據測得的超高溫陶瓷材料彈性模量隨溫度變化的實驗數據和參考溫度下的彈性模量，建立不同溫度下材料熱-損傷耦合強度與彈性模量的數學式模型，計算與超高溫陶瓷材料彈性模量對應的溫度下的材料熱-損傷耦合強度。本發明的技術效果是：實現了在各溫度下材料熱-損傷耦合強度的可靠預測。
【專利說明】超高溫陶瓷材料熱-損傷耦合強度間接測量方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種超高溫陶瓷材料的強度間接測量方法。
【背景技術】
[0002] 超高溫陶瓷（UltraHighTemperatureCeramics，簡稱UHTCs)是指在超過2000°C 以上有氧氣等條件下仍能照常使用的最耐熱高級陶瓷，該超高溫陶瓷材料在溫度達到 1600°C時仍具有較好的抗氧化性，它主要應用于高超音速導彈、航天飛機等飛行器的熱防 護系統如翼前緣、端頭帽和發動機的熱端。
[0003] 本專利申請中所述的高溫強度是指溫度在1200°C-3200°C范圍內的材料強度。作 為超高聲速飛行器熱防護材料的超高溫陶瓷材料，其高溫強度是衡量材料可靠性的重要參 數。提高超高溫陶瓷材料的高溫強度一直以來就是行業追求的目標，這自然與高溫強度的 測量相關聯。目前，有關高溫強度的研究側重于實驗研究，實驗測試的溫度還比較低，遠遠 達不到高溫強度的測試條件，低溫測試無法獲得高溫強度的數據。
[0004]目前，高溫強度測試的難度很大，實驗費用昂貴，沒有統一的測試方法和標準，測 試值分散性大。強度實驗屬于一系列的破壞性實驗，需要一系列的試件，對陶瓷材料由于存 在初始缺陷和工藝差異較大，將導致溫度T下對應的材料強度（〇th(T))的實驗結果不準 確；與之相對，溫度T下對應的彈性模量（E(T))只需使用同一個試件進行實驗即可，一次實 驗就可得到一系列彈性模量E(T)的數據，避免了因試件差異帶來的實驗結果的不準確。
[0005] 在高溫下的陶瓷三點彎曲實驗用于高溫強度（〇th(T))的預測，由于超高溫陶瓷 材料隨著溫度的升高其拉壓各向異性逐漸增強，需要對三點彎強度計算公式進行修正以消 除其拉壓各向異性的影響，但是，在不同溫度下如何對三點彎強度計算公式做出合理的修 正本身就是一個尚未解決的難題。
[0006] 帶微裂紋的超高溫陶瓷材料的高溫斷裂強度稱為熱-損傷耦合強度，因為超高溫 陶瓷材料的高溫強度預測屬于目前尚未解決的技術難題，所以超高溫陶瓷材料熱-損傷耦 合強度的預測同樣是本領域內的技術難題。
【發明內容】
[0007] 本發明所要解決的技術問題就是提供一種超高溫陶瓷材料熱-損傷耦合強度間 接測量方法，它能預測在各溫度下材料熱-損傷耦合強度。
[0008] 本發明所要解決的技術問題是通過這樣的技術方案實現的，依據測得的超高溫 陶瓷材料彈性模量隨溫度變化的實驗數據和參考溫度下彈性模量，建立不同溫度下材料 熱-損傷耦合強度與彈性模量的數學式模型，計算與超高溫陶瓷材料彈性模量對應的溫度 下的材料熱 -損傷稱合強度。
[0009] 由于建立了不同溫度下材料熱-損傷耦合強度與彈性模量的數學式模型，且該數 學式模型中沒有任何擬合參數；數學式模型中，材料彈性模量隨溫度變化的實驗數據容易 從實驗得到，參考溫度下的彈性模量能通過實驗容易得到，熱容、泊松比、熔化熱等可以很 容易地從材料手冊查到，由此計算預測的材料熱-損傷耦合強度避免了高溫強度實驗帶來 的困難，實現了在現有條件下用數學式模型進行材料熱-損傷耦合強度的預測，數學式模 型揭示了影響材料熱-損傷耦合強度的物理機理。
[0010] 本發明的技術效果是：實現了在各溫度下材料熱-損傷耦合強度的可靠預測。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011] 本發明的【專利附圖】
【附圖說明】如下：
[0012] 圖1為Tie陶瓷材料的彈性模量E(T)隨溫度變化的曲線圖；
[0013] 圖2為TiC陶瓷材料預測的高溫強度〇th⑴隨溫度變化的曲線圖；
[0014] 圖3為不同溫度T下的（A〇th/Al)隨A1變化關系曲線；
[0015] 圖4為不同溫度T下的（A〇th/AE)隨AE變化關系曲線。
【具體實施方式】
[0016] 本發明的構思是：對超高溫陶瓷材料高溫強度試驗測量的難點進行簡化，從易獲 得的參數如材料彈性模量、定壓熱容、泊松比、熔化熱等出發，建立超高溫陶瓷材料熱-損 傷耦合強度數學式模型。
[0017] 下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明：
[0018] 本方法發明是：依據測得的超高溫陶瓷材料彈性模量隨溫度變化的實驗數據和參 考溫度下的彈性模量，建立不同溫度下材料熱-損傷耦合強度與彈性模量的數學式模型， 計算與超高溫陶瓷材料彈性模量對應的溫度下的材料熱-損傷耦合強度。
[0019] 建立不同溫度下材料熱-損傷耦合強度與彈性模量的數學式模型的步驟如下：
[0020] 第一步、建立材料初始損傷狀態的不同溫度下強度與彈性模量的數學式模型
[0021] 該數學式模型建立的基本設想是：①、對一種特定材料，認為其存在一個儲能極 限，即材料發生破壞時對應一個固定不變的能量最大值，這個最大值可以用應變能表征，也 可以用熱能進行表征。②、從對材料的破壞效果講，認為材料儲存的熱能與應變能之間存在 一種定量的等效關系。
[0022] 由以上設想得到單位體積材料的儲能極限值為
【權利要求】
1. 超高溫陶瓷材料熱-損傷耦合強度間接測量方法，其特征是：依據測得的超高溫陶 瓷材料彈性模量隨溫度變化的實驗數據和參考溫度下的彈性模量，建立不同溫度下材料 熱-損傷耦合強度與彈性模量的數學式模型，計算與超高溫陶瓷材料彈性模量對應的溫度 下的材料熱-損傷稱合強度。
2. 根據權利要求1所述的超高溫陶瓷材料熱-損傷耦合強度間接測量方法，其特征是 建立不同溫度下材料熱-損傷耦合強度與彈性模量的數學式模型的步驟包括： 第一步、建立材料初始損傷狀態的不同溫度下強度與彈性模量的數學式模型為
式中，〇 th⑴為溫度T下對應的材料強度，E(T)為溫度T下對應的彈性模量，<為參 考溫度〇°C下的材料強度，Etl為參考溫度0°C下的材料彈性模量，Cp(T)為溫度T下對應的 定壓熱容，△ Hm為熔化熱，Tm為材料的熔點； 第二步、建立參考溫度下與材料損傷相關的強度的數學式模型為
式中，cr/為臨界斷裂強度，為斷裂能，Etl為參考溫度下材料無裂紋時的彈性模量， V為泊松比，1為裂紋的半長，N為單位體積中的裂紋數； 第三步、建立超高溫陶瓷材料熱-損傷耦合強度數學式模型為
式中，〇 th(T，1)為熱-損傷耦合強度，K1。為材料平面應變斷裂韌度，E (T，N，1)為溫度 T下對應的存在裂紋時的彈性模量，Etl為參考溫度下材料無裂紋時的彈性模量，V為泊松 比，V為單個損傷體積，a為損傷形狀系數，Cp(T)為溫度T下對應的定壓熱容，AHm為熔化 熱，Tm為材料的熔點。
【文檔編號】G01N3/00GK104330300SQ201410682680
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年11月24日 優先權日:2014年11月24日
【發明者】李衛國, 麻建坐, 王如轉, 李定玉, 成天寶, 張曦蓓, 方岱寧 申請人:重慶大學
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