超高溫材料

超高溫材料的研究及應(yīng)用

1.難熔金屬

難熔金屬(W、Mo、Ta、Nb、Zr等)及其合金具有熔點高、耐高溫和抗腐蝕強等突出優(yōu)點，應(yīng)用領(lǐng)域涉及固液火箭發(fā)動機、重返大氣層的航天器和航天核動力系統(tǒng)等 。

2.陶瓷基復(fù)合材料

超高溫陶瓷材料，尤其是難溶金屬Zr、Hf和Ta的硼化物、碳化物，代表了在2000℃以上可用的候選材料，具有優(yōu)異的物理性能，包括罕見的高熔點、高熱導(dǎo)率、高彈性模量，并能在高溫下保持很高的強度，同時還具有良好的抗熱震性和適中的熱膨脹率，是未來超高溫領(lǐng)域最有前途的材料。

(1)碳化物陶瓷基復(fù)合材料

碳化鉿(HfC)、碳化鋯(ZrC)和碳化鉭(TaC)的熔點比它們的氧化物高得多，不需要經(jīng)歷任何固相相變，具有較好的抗熱震性，在高溫下仍具有高強度。這類碳化物陶瓷的斷裂韌性和抗氧化性非常低，為了克服陶瓷的脆性，通常采用纖維來增強增韌。2000年，美國宇航局對由不同公司生產(chǎn)的可能用于Hyper-X計劃的X-43A(7馬赫)鼻錐和前緣的l3種材料體系進行了電弧加熱器燒蝕測試。結(jié)果表明，RCI公司生產(chǎn)的炭纖維增強HfC基復(fù)合材料效果最好，它完成所有的10min10次循環(huán)，3次循環(huán)質(zhì)量損失1．30% ，5次循環(huán)質(zhì)量損失3．28% ，10次循環(huán)質(zhì)量損失10．33% ；完成了1h的持續(xù)加熱，質(zhì)量損失1．12%。

(2)硼化物陶瓷基復(fù)合材料

研究表明，ZrB2和HfB2基陶瓷復(fù)合材料的脆性和室溫強度可以通過合理選擇原材料的組分、純度和顆粒度來克服，它們的共價鍵很強的特性決定了它們很難燒結(jié)和致密化。為了改善其燒結(jié)性，提高致密度，可通過提高反應(yīng)物的表面能、降低生成物的晶界能、提高材料的體擴散率、延遲材料的蒸發(fā)、加快物質(zhì)的傳輸速率、促進顆粒的重排及提高傳質(zhì)動力學(xué)來解決。

(3) C/C復(fù)合材料

C/C復(fù)合材料具有重量輕、比強度高、比剛度高、模量高、熱膨脹系數(shù)低、高溫下強度高、良好的燒蝕性能和較大溫度范圍的抗蠕變能力，以及良好的抗熱震性能等優(yōu)點。

超高溫意指1800攝氏度以上的溫度。

內(nèi)容簡介

本書系統(tǒng)論述了硼化物基超高溫陶瓷材料的制備方法及其強度計算，包括基本理論、力學(xué)原理、分析方法及工程應(yīng)用等。作為失效學(xué)體系的理論之一，在吸取前人研究成果的基礎(chǔ)上，對超高溫陶瓷材料的斷裂失效行為進行研究。

本書共7章，主要內(nèi)容包括硼化物基超高溫陶瓷材料的研究進展情況，硼化物基超高溫陶瓷材料制備工藝及方法，以及針對不同成分的超高溫陶瓷材料斷裂失效的研究。

本書可作為從事固體力學(xué)研究的科技工作者及從事超高溫陶瓷材料斷裂失效研究的工程師使用和參考，也可作為力學(xué)專業(yè)本科生和研究生的參考書。

目錄

前言

第1章 概述

1.1 引言

1.2 脆性破壞特征

1.3 斷裂力學(xué)的研究對象

1.4 斷裂力學(xué)的分類

1.5 斷裂力學(xué)的發(fā)展

1.6 超高溫陶瓷材料斷裂失效行為概述

第2章 ZrB2-SiC注漿成型及燒結(jié)研究

2.1 引言

2.2 試驗過程和方法

2.3 ZrB2-SiC陶瓷性能研究

2.4 結(jié)論

第3章 ZrB2粉體的制備

3.1 引言

3.2 試驗原料和方法

3.3 試驗內(nèi)容

3.4 試驗結(jié)果分析

3.5 結(jié)論

第4章 ZrB2-SiC層狀陶瓷的制備及熱力學(xué)性能分析

4.1 引言

4.2 層狀結(jié)構(gòu)陶瓷材料進展

4.3 材料及試驗方法

4.4 試驗結(jié)果分析

4.5 本章小結(jié)

第5章 ZrB2-SiC復(fù)合陶瓷的制備及斷裂失效分析

5.1 引言

5.2 ZrB2-SiC復(fù)合陶瓷進展

5.3 試驗內(nèi)容與方法

5.4 實驗結(jié)果分析

5.5 本章小結(jié)

第6章 硼化物基超高溫陶瓷斷裂數(shù)值模擬

6.1 引言

6.2 超高溫陶瓷材料氧化燒蝕研究現(xiàn)狀

6.3 理論基礎(chǔ)和研究方法

6.4 超高聲速飛行器翼緣熱沖擊模擬仿真

6.5 本章小結(jié)

第7章 超高溫陶瓷材料微觀結(jié)構(gòu)對晶間殘余應(yīng)力的影響

7.1 引言

7.2 超高溫陶瓷材料宏觀熱傳導(dǎo)與熱應(yīng)力分析

7.3 超高溫陶瓷材料晶間殘余應(yīng)力試驗分析

7.4 微量顆粒對超高溫陶瓷材料晶間殘余應(yīng)力仿真分析

7.5 內(nèi)聚力模型對ZrB2-SiC晶界建模

7.6 SiC顆粒與ZrB2基熱不匹配分析

7.7 本章小結(jié)

參考文獻 2100433B

鑒于非燒蝕型防熱材料表面催化特性對飛行器表面氣動加熱、抗氧化性、能量傳導(dǎo)與耗散效率等方面的重要性，本項目開展超高溫陶瓷材料表面催化特性的試驗研究，通過理論、試驗與計算相結(jié)合的方法建立超高溫陶瓷材料表面催化特性測試系統(tǒng)、試驗技術(shù)和數(shù)據(jù)處理方法，獲得超高溫陶瓷材料表面催化特性，研究催化復(fù)合效率對氣動加熱的影響及天地換算技術(shù)，為熱防護系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供材料催化特性數(shù)據(jù)和理論基礎(chǔ)；弄清超高溫陶瓷材料的表面催化機理，獲得降低催化復(fù)合效率的途徑，為非燒蝕型防熱材料的性能的改進提供理論指導(dǎo)。