CN104390997A - 一种超高温陶瓷材料高温强度间接测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超高温陶瓷材料高温强度间接测试方法，该方法依据测得的超高温陶瓷材料的弹性模量随温度变化的实验数据以及参考温度下的材料强度和弹性模量，建立不同温度下材料强度与弹性模量的数学式模型，计算与超高温陶瓷材料弹性模量对应的温度下的材料高温强度。本发明的技术效果是：实现了在各温度下材料高温强度的可靠预测。

Description

一种超高温陶瓷材料高温强度间接测试方法

技术领域

本发明涉及一种超高温陶瓷材料的强度测试方法。

背景技术

超高温陶瓷(Ultra High Temperature Ceramics，简称UHTCs)是指在超过2000℃以上有氧气等条件下仍能照常使用的最耐热高级陶瓷,该超高温陶瓷材料在温度达到1600℃时仍具有较好的抗氧化性,它主要应用于高超音速导弹、航天飞机等飞行器的热防护系统如翼前缘、端头帽和发动机的热端。

本专利申请中所述的高温强度是指温度在1200℃—3200℃范围内的材料强度。作为超高声速飞行器热防护材料的超高温陶瓷材料，其高温强度是衡量材料可靠性的重要参数。提高超高温陶瓷材料的高温强度一直以来就是行业追求的目标，这自然与高温强度的测量相关联。目前，有关高温强度的研究侧重于实验研究，实验测试的温度还比较低，远远达不到高温强度的测试条件，低温测试无法获得高温强度的数据。

目前，高温强度测试的难度很大，实验费用昂贵，没有统一的测试方法和标准，测试值分散性大。强度实验属于一系列的破坏性实验，需要一系列的试件，对陶瓷材料由于存在初始缺陷和工艺差异较大，将导致温度T下对应的材料强度(σ_th(T))的实验结果不准确；与之相对，温度T下对应的弹性模量(E(T))只需使用同一个试件进行实验即可，一次实验就可得到一系列弹性模量E(T)的数据，避免了因试件差异带来的实验结果的不准确。

在高温下的陶瓷三点弯曲实验用于高温强度(σ_th(T))的预测，随着温度的升高超高温陶瓷材料拉压各向异性逐渐增强，需要对三点弯强度计算公式进行修正以消除其拉压各向异性的影响，但是，在不同温度下如何对三点弯强度计算公式做出合理的修正本身就是一个尚未解决的难题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种超高温陶瓷材料高温强度间接测试方法，它能解决现有条件下不能预测超高温陶瓷材料高温强度的难题，能预测在各温度下的高温强度。

本发明所要解决的技术问题是通过这样的技术方案实现的：依据测得的超高温陶瓷材料弹性模量随温度变化的实验数据以及参考温度下的材料强度和弹性模量，建立不同温度下材料强度与弹性模量的数学式模型，计算与超高温陶瓷材料弹性模量对应的温度下的高温强度。

由于建立了不同温度下材料强度与弹性模量的数学式模型，且该数学式模型中没有任何拟合参数；数学式模型中，材料弹性模量随温度变化的实验数据容易从实验得到，参考温度下的材料强度和弹性模量能通过实验容易得到，热容、熔化热和材料的熔点可以很容易地从材料手册查到，由此计算所得的材料高温强度避免了高温强度实验带来的困难，实现了在现有条件下用数学式模型进行高温强度的预测，数学式模型揭示了影响材料高温强度的物理机理。

本发明的技术效果是：实现了在各温度下材料高温强度的可靠预测。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1为TiC陶瓷材料的弹性模量E(T)随温度变化的曲线图；

图2为TiC陶瓷材料预测的高温强度σ_th(T)随温度变化的曲线图。

具体实施方式

本发明的构思是：对超高温陶瓷材料高温强度试验测量的难点进行简化，从易获得的参数如材料弹性模量、定压热容、熔化热等出发，建立超高温陶瓷材料高温强度的数学式模型。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

本方法发明是：依据测得的超高温陶瓷材料的弹性模量随温度变化的实验数据以及参考温度下的材料强度和弹性模量，建立不同温度下材料强度与弹性模量的数学式模型，计算与超高温陶瓷材料弹性模量对应的温度下的材料高温强度。

建立不同温度下材料强度与弹性模量的数学式模型如下：

该数学式模型建立的基本设想是：①、对一种特定材料，认为其存在一个储能极限，即材料发生破坏时对应一个固定不变的能量最大值，这个最大值可以用应变能表征，也可以用热能进行表征。②、从对材料的破坏效果讲，认为材料储存的热能与应变能之间存在一种定量的等效关系。

由以上设想得到材料发生破坏时能量最大值表达式:

$W_{\mathrm{TOTAL}}=K(W_T\left(T\right)+\mathrm{\Δ}{H}_M)+W_{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{th}}}\left(T\right)---\left(1\right)$

式(1)中，W_TOTAL为单位体积材料的储能极限值，T为当前温度，W_T(T)为对应热能，为材料破坏时对应的应变能，K为热能与应变能间的能量转换系数；ΔH_M为熔化热。

假设陶瓷材料在加卸载时，应力和应变符合线弹性关系，则陶瓷材料破坏时对应的应变能为

$W_{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{th}}}\left(T\right)=\frac{{\left({\mathrm{\σ}}_{\mathrm{th}}\left(T\right)\right)}^2}{2E\left(T\right)}---\left(2\right)$

式(2)中，为材料破坏时对应的应变能，σ_th(T)为温度T下对应的材料强度，E(T)为温度T下对应的弹性模量。

以0℃为参考温度，对应热能可表示为：

$W_T\left(T\right)={\∫}_0^T{C}_p\left(T\right)\mathrm{dT}---\left(3\right)$

式(3)中，C_p(T)为温度T下对应的定压热容。

由式(3)可知：

W_T(0)＝0    (4)

T_m为材料的熔点，式(2)中由于σ_th(T_m)＝0，所以

$W_{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{th}}}\left(T_m\right)=0---\left(5\right)$

当T＝0时，ΔH_M＝0，由式(4)、(5)和(1)可得到如下关系式：

$W_{\mathrm{TOTAL}}=W_{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{th}}}{|}_{T=0}=K(W_T\left(T\right)+\mathrm{\Δ}{H}_M){|}_{T=T_m}---\left(6\right)$

由式(6)可得：

$K=\frac{W_{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{th}}}{|}_{T=0}}{(W_T\left(T\right)+\mathrm{\Δ}{H}_M){|}_{T=T_m}}---\left(7\right)$

即：

$K=\frac{{\left({\mathrm{\σ}}_{\mathrm{th}}^0\right)}^2}{2E_0}/({\∫}_0^{T_m}{C}_p\left(T\right)\mathrm{dT}+\mathrm{\Δ}{H}_M)---\left(8\right)$

式(8)中，E₀分别为参考温度0℃下的材料强度和弹性模量。

对陶瓷材料，由于其拉伸性能较压缩性能差，研究其拉伸强度更重要。考虑单轴拉伸情形：

$\begin{array}{c}{W}_{\mathrm{TOTAL}}=K(W_T\left(T\right)+\mathrm{\Δ}{H}_M)+W_{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{th}}}\left(T\right)\\ =K({\∫}_0^T{C}_p\left(T\right)\mathrm{dT}+\mathrm{\Δ}{H}_M)+\frac{{\left({\mathrm{\σ}}_{\mathrm{th}}\left(T\right)\right)}^2}{2E\left(T\right)}\end{array}---\left(9\right)$

若已知K、C_p(T)、E(T)、ΔH_M，由式(9)可求σ_th(T)：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{th}}\left(T\right)={\left[2E\left(T\right)\right[W_{\mathrm{TOTAL}}-K{\∫}_0^T{C}_p\left(T\right)\mathrm{dT}-\mathrm{K\Δ}{H}_M\left]\right]}^{1/2}---\left(10\right)$

当T<T_m时，ΔH_M＝0，所以

${\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{th}}\left(T\right)={\left[2E\left(T\right)\right[W_{\mathrm{TOTAL}}-K{\&Integral;}_0^T{C}_p\left(T\right)\mathrm{dT}\left]\right]}^{1/2}---\left(11\right)$

把式(6)的前段等式和式(8)代入式(11)可得：

${\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{th}}\left(T\right)={\left[\frac{{\left({\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{th}}^0\right)}^2}{E_0}E\left(T\right)\right[1-\frac{1}{{\&Integral;}_0^{T_m}{C}_p\left(T\right)\mathrm{dT}+\mathrm{\&Delta;}{H}_M}{\&Integral;}_0^T{C}_p\left(T\right)\mathrm{dT}\left]\right]}^{1/2}---\left(12\right)$

式(12)中，σ_th(T)为温度T下对应的材料强度，E(T)为温度T下对应的弹性模量，为参考温度0℃下的材料强度，E₀为参考温度0℃下的材料弹性模量，C_p(T)为温度T下对应的定压热容，ΔH_M为熔化热，T_m为材料的熔点。

实施例

以碳化钛(TiC)陶瓷材料为例，实施该材料高温强度进行预测，结合本实例说明本发明的具体预测步骤：

1、测试超高温陶瓷材料的弹性模量随温度变化的实验数据以及参考温度下的材料强度和弹性模量

弹性模量随温度变化的实验测试采用中国专利文献CN 102944466A公开的用于超高温氧化环境下的力学性能测试装置和方法，将TiC陶瓷试件安装到测试装置上，关闭高温炉的炉门，加热到不同的预定温度，保温，加载，记录载荷与试件伸长量的实验数据，通过数据分析获得TiC陶瓷材料的的弹性模量E(T)随温度变化的数据，描绘出其变化曲线如图1所示，在图1中，由于实验手段和实验条件限制，弹性模量E(T)高温实验数据缺乏，根据已有的实验数据对弹性模量进行了外推，以便于下一步利用数学式模型预测其TiC陶瓷材料高温强度。

碳化钛(TiC)陶瓷材料与高温强度相关的参数见表1。

表1TiC的材料参数

上表中，E₀、由实验获得，实验测试使用普通的力学性能测试装置，将宽度为b、厚度为h的TiC陶瓷试件安装到测试装置上，在参考温度T＝0℃下加载直至试件断裂，记录临界载荷P_c，通过实验数据处理获得参考温度下的强度为T_m、ΔH_M、C_p(T)通过查阅手册、文献得到。

2、依据式(12)的数学式模型，计算与超高温陶瓷材料弹性模量对应的温度下的材料高温强度

由图1的弹性模量E(T)随温度变化的数据，依据式(12)的数学式模型，计算出材料的高温强度，得到预测的高温强度σ_th(T)随温度变化的曲线图，如图2所示。从图2可看出：预测值与实验值吻合较好。所以本方法对超高温陶瓷高温强度的预测是可靠的。

Claims (2)

1.一种超高温陶瓷材料高温强度间接测试方法，其特征是：依据测得的超高温陶瓷材料弹性模量随温度变化的实验数据以及参考温度下的材料强度和弹性模量，建立不同温度下材料强度与弹性模量的数学式模型，计算与超高温陶瓷材料弹性模量对应的温度下的高温强度。

2.根据权利要求1所述的一种超高温陶瓷材料高温强度间接测试方法，其特征是：所述的材料强度与弹性模量的数学式模型为：

${\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{th}}\left(T\right)={\left[\frac{{\left({\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{th}}^0\right)}^2}{E_0}E\left(T\right)\right[1-\frac{1}{{\&Integral;}_0^{T_m}{C}_p\left(T\right)\mathrm{dT}+\mathrm{\&Delta;}{H}_M}{\&Integral;}_0^T{C}_p\left(T\right)\mathrm{dT}\left]\right]}^{1/2}$

式中，σ_th(T)为温度T下对应的材料强度，E(T)为温度T下对应的弹性模量，为参考温度0℃下的材料强度，E₀为参考温度0℃下的材料弹性模量，C_p(T)为温度T下对应的定压热容，ΔH_M为熔化热，T_m为材料的熔点。