3.18 热冲击条件下超高温陶瓷ZrB2-SiC的强韧化机制研究
陶瓷基防热材料是高超声速飞行器关键热端部件的主要候选材料之一，但陶瓷的本征脆性是其工程应用的关键问题。针对陶瓷基防热材料面临的强韧化问题，本项目针对热冲击条件下超高温陶瓷ZrB2-SiC的强韧化机制，主要开展超高温陶瓷材料热震失效机制、热冲击行为、裂纹扩展机理研究，主要得到以下结论。
①国际上首次提出了通过仿生设计陶瓷表面结构增强陶瓷抗热震阻力的新概念和新方法。利用等离子刻蚀技术和酸腐蚀方法，在陶瓷表面成功引入了仿蜻蜓翼膜表面的超疏水纳米结构，有效扩大了材料的实际表面积，使陶瓷表面的水接触角提高50°以上，成为超疏水表面。水淬热震实验结果表明，传统陶瓷在400℃淬火后剩余强度会出现断崖式的衰减，而超疏水纳米结构热振后的剩余强度未出现明显衰减。这是由于在陶瓷热震过程中，仿生处理后的陶瓷表面能够自动地覆盖一层空气膜，这层空气膜使陶瓷表面热阻增加了近万倍，使得出现在陶瓷与热震介质间剧烈的温差所产生的热梯度和由此产生的热应力只能作用在陶瓷表面的超疏水纳米结构上，而不能直接作用于陶瓷的实际部位。这有效克服了陶瓷热震失效，使得陶瓷材料获得高抗热震性。
②通过对Al2O3陶瓷板和组合板进行水淬热震实验，揭示了组合陶瓷结构与实际整体陶瓷结构热震中的裂纹分布，揭示了裂纹扩展的机理。实验中以升温速率10°/s加热至目标温度后保温20分钟，随后落入20℃恒温水浴中。为直观呈现宏观裂纹的分布情况，试样干燥12小时后用蓝色燃料浸渍，进而获取两种陶瓷结构在淬火过程中产生的裂纹形态，结果表明，两种结构的裂纹形态存在明显差异，主要原因包括表面裂纹的尺寸效应和内部裂纹的边界效应。因此，组合陶瓷板的结构并不能表征整体陶瓷板的裂纹形态。
③推导了表征陶瓷热冲击敏感性与破坏过程的毕奥（Biot）数，分析了毕奥数与陶瓷热冲击性能的关系。对于球形陶瓷，毕奥数被用来描述几何和传热特性，傅里叶（Fourier）数（即无量纲时间）被用来表示热冲击过程中温度波传播和热应力的持续时间。通过研究球形陶瓷在热冲击过程中的毕奥数和傅里叶数之间的关系，得到了一个临界毕奥数，该临界毕奥数有效地决定了球形陶瓷对淬火的敏感性，同时证明了临界毕奥数对应的傅里叶数可以用来确定陶瓷在热冲击下的温度波传播时间和热应力。对于圆柱体陶瓷，当毕奥数大于临界值时，陶瓷圆柱体的热震破坏是一个快速过程，只发生在初始导热状态，应力持续时间和几何特征对陶瓷材料在热震作用下的破坏起着重要作用，而陶瓷球在热传导过程中的热冲击失效是不确定的。这一结果可以为热结构工程中陶瓷材料的选择特别是热冲击的选择提供指导。
④通过对热冲击后陶瓷材料沿厚度方向逐层进行微观组织分析，并结合和统计测量陶瓷内部产生的裂纹密度和深度，揭示了决定陶瓷热冲击后残余强度的物理机制。分析表明，陶瓷材料热震后残余强度行为的稳定趋势是由最大裂纹深度的不变性引起的，而裂纹密度对残余强度的影响较小。因此，控制残余强度的关键因素是裂纹的最大深度，而不是陶瓷中裂纹的密度。接近热冲击临界温差时，残余强度波动较大则是最深裂纹的位置具有更多随机性造成的。