杂志俱乐部2010年11月:超高温抗材料与结构

近年来，由于人类渴望更快地旅行，以及主要国家最近重申的(载人)太空探索计划，对能够承受极端热通量和热负荷的先进材料的需求越来越大。最近的一个例子是建立国家材料与结构高超声速科学中心，由AFOSR和NASA共同支持，致力于研究和开发能够承受1700ºC高温环境的新材料和结构(对于希望了解更多关于高超声速飞行器的引人入胜的历史和当前挑战的读者，我们推荐Bertin和Cummings[1]最近的一篇文章。但在这里，我们将集中讨论uht材料和相关的热力学)。

一般来说，提高材料工作温度可以大大提高各种重要的机械和材料系统的性能，如再入航天飞机、高超声速飞行器、火箭喷管、涡轮叶片和燃烧室衬板以及其他热防护系统。

材料开发的挑战自阿波罗时代以来，UHT应用已经得到了充分的重视。最基本的要求是微观晶体结构应该是稳定的，不受广泛的氧化。然而，这是很难满足的:大多数金属或金属合金在UHT环境下容易发生组织演变，导致明显的蠕变变形和氧化;另一方面，UHT(单片)陶瓷材料可以以更小的蠕变变形承受UHT，但它们通常太脆，无法满足结构要求。锆二硼化物(ZrB2)和铪二硼化物(HfB2)最近的研究表明，在UHT环境下(高达2200ºC)[2]具有很好的抗氧化性。另一种有前途的陶瓷是聚合物衍生陶瓷(PDCs)通过将硅基聚合物加热到1000ºC，在此过程中，C- h键的分裂进化出氢，留下由Si, C, N和o组成的陶瓷。这些陶瓷显示0蠕变到1500ºC尽管是“无定形”[3,4]。然而，这种材料的制造仍然非常昂贵，而且它们的强度重量比对于大规模使用来说仍然太小。它们现在只用于那些最关键的UHT领域，如高速飞行器的前沿。

考虑到强度重量比，材料选择更倾向于增韧陶瓷基复合材料(cmc)。在这种材料中，高强度、耐高温纤维(C、SiC或氧化物)嵌入(脆性)陶瓷基质(C或SiC)[5]中。通过二次基体开裂和界面脱粘，这种材料可以在高温下达到合理的高强度。然而，由于这种材料的多重开裂性质，必须仔细考虑渐进损伤演化。关于经典CMC层压板的物理和力学的非常全面的回顾可以在[5]和其中的参考文献中找到。请注意，在本文中，大多数失效模式的机制都假设是独立运行的。在现实中，多种破坏模式可能以强耦合的方式运行，如何解释多种损伤的耦合演化(可能以不同的长度和时间尺度运行)仍然是迄今为止具有挑战性的问题。CMC层压板的另一个关键问题是，它们往往在严重的热梯度下分层，这在UHT环境下是不可避免的。

最近，一种令人兴奋的基于三维纤维增强的CMCs新范例已经开发出来，它可以在热交换、蒸腾、详细的形状和热应变管理方面实现功能，大大超过了现有技术。图1和图2给出了两个这样的例子。这种结构可以根据结构应用的特定形状、应力和热要求进行定制，因此通常需要创新的纺织方法来实现每种结构。在[6]中给出了目前这种材料和结构的设计现状，其中设计考虑因素，纺织加工，热管理，热机械应力分析，以及几个高温CMC组件的原型演示作为详细的案例研究。值得指出的是，针对目标应用的独特设计(即非标准设计程序)可能会在确保产品质量和在制造和测试投资之前预测性能方面带来潜在的挑战。因此，能够真实模拟材料在UHT环境下的响应的高保真数值模型具有极高的价值，近年来这一研究领域的投入不断增加。模拟UHT材料和结构渐进破坏的主要挑战包括但不限于:1)由纤维束位移、空隙分配和加工诱导的开裂/损伤引起的随机初始缺陷;2)耦合多重裂纹演化及其与温度场的瞬时相互作用(图2和图3);3)多重任意开裂、材料软化(高温)和材料氧化损伤之间的瞬态耦合;4)各种机制所作用的时间和空间尺度之间的连接和交叉对话。在[7]中讨论了构建这种高保真能力的可能方法。

图1用于超高温应用的三维编织CMC管结构，包括其纺织组织(a)，三维交织(b)和(c)最终原型及其多尺度特征。对于该面板，管道内部通过液态H2燃料，而底部暴露在温度~ 3300℃的燃烧环境中

Figure2带有过渡孔的SiC-SiC燃烧室内衬。

图3CMC中初始缺陷和复杂损伤的截面视图，这对高保真建模提出了重大挑战

引用:

[1]贝尔坦，j.j.和卡明斯，R。m(2003)。五十年的高超声速:我们过去了什么，我们要去哪里．《航空航天科学进展》Vol 39(6-7): 511-536。

[2]威廉·g·法伦霍尔兹，w和格雷戈里·e·希尔马斯等人(2007)。锆和铪的耐火二硼化物．中国陶瓷学报，30(5):357 - 357。

保罗·科伦坡，加布里埃拉·梅拉等(2010)。高分子衍生陶瓷:先进陶瓷40年的研究与创新．美国陶瓷学会杂志，93(7)，1805-1837。

[4]布拉曼丹，S.和拉吉，R.(2007)。由哈夫尼亚和聚合物衍生陶瓷作为界面组成的新型复合材料:用于严重超高温应用的相．美国陶瓷学会杂志，90卷(10):3171-3176。

[5] A. G. Evans和F. W. Zok(1994)。纤维增强脆性基复合材料的物理力学研究．材料科学杂志。Vol. 29(15): 3875-3896。

D. B.马歇尔和B. N.考克斯(2008)。整体纺织陶瓷结构。材料研究年度评论．卷38:425 - 443。

[7] B. N. Cox和Q. D. Yang(2006)。结构复合材料试验研究会．科学。卷314(5802):1102-1107。