超高温陶瓷材料断裂强度研究.doc

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1、超高温陶瓷材料断裂强度研究曾涛a,*Correspondingauthor.E-mail:taozeng@sohu.com(T.Zeng)方岱宁b周飞飞Ca工程力学系，哈尔滨理工大学，哈尔滨，150080b航天航空学院，清华大学，北京，100084c材料与工程学院，哈尔滨理工大学，哈尔滨，150080摘要：本文建立一个用于预测超高温陶瓷断裂强度的理论模型。研究发现不同温度区间内温度和氧化条件变化对超高温陶瓷断裂强度影响不同。当时，材料断裂强度随温度升高线性降低；当时，HB2发生氧化反应，氧化反应生成物对裂纹起一定的愈合作

2、用，但由于材料弹性模量和表面自由能随温度升高的降低，材料断裂强度随温度升高而降低；当时，B2O3开始挥发，材料断裂强度随温度升高加速降低；当时，SiC发生氧化反应，材料断裂强度随温度升高先降低后升高.本模型给出了超高温陶瓷断裂强度随温度变化的机理解释。关键词：HfB2；高温；氧化；陶瓷；断裂强度1．引言超高温陶瓷是一类ZrB2和HfB2添加SiC组成的复合材料，这类材料具有良好的耐高温性能，可以在1900-2500环境下使用。这类材料可以作为超高速飞行器的防热材料。关于超高温陶瓷研究多集中于其氧化行为[1-4]，而关于超

3、高温陶瓷的力学行为，特别是其高温力学性能的研究报道较少。本文研究HfB2复合材料的高温力学性能。2．理论模型根据Griffith理论，固体力学断裂强度为(1)其中，裂纹形状参数,和为材料弹性模量和表面能，为裂纹尺寸。基于上面公式，建立HfB2+SiC复合材料断裂强度随温度变化的理论预报模型。1.1参数确定材料表面能：根据文献[5]，材料表面能可采用下面公式确定(2)其中，a和b为材料常数。材料弹性模量：根据文献[6]的实验曲线，本文给出了HfB2复合材料弹性模量随温度变化的拟合公式(3)其中，为材料熔点，为材料常数。裂纹

4、尺寸：高温环境下，HfB2复合材料将发生化学反应，生成物对裂纹起一定的愈合作用。考虑材料的氧化反应（如图1），裂纹尺寸为(4)其中，,为室温下裂纹尺寸，为由于氧化引起材料尺寸变化。1.2断裂强度当Monteverde[7]给出了HB2复合材料质量变化与温度关系，如图2所示。当温度，没有发生化学反应，材料质量变化为零。图1.高温环境下HfB2陶瓷裂纹尺寸示意图Fig.1SchematicofcracksizeofHB2compositeinoxidationcondition2CC0B0ξOxideHfB2+SiC图2.质

5、量变化与环境温度关系Fig.2.Weightchange(w)vs.temperatureofHB2composite当两种机制控制HfB2-SiC陶瓷强度。一种机制是温度升高使材料弹性模量和表面能降低，从而使材料断裂强度降低。另一种机制是高温氧化生成物对裂纹其一定愈合作用。(5)材料厚度变化(6)其中，为HfB2-SiC复合材料质量变化,分别为和分子量。为和密度。当此温度区间，开始升华，材料厚度变化为(7)其中，为不考虑升华情况下HfB2-SiC复合材料质量变化，。当此温度区间，发生两种反应(8)(9)材料厚度变化(1

6、0)其中，为和分子量。为和密度.为体积百分数。3．结果与讨论作为算例，预报了HfB2+19.5vol%SiC复合材料断裂强度。材料参数为,,,,,,,，温升。HfB2复合材料断裂强度随温度变化关系如图3。图3断裂强度随温度变化关系曲线Fig.3.Predictingfracturestrengthvs.temperatureofHB2composite(1)(AB段)断裂强度随温度升高线性降低。此阶段，采用模型I(考虑氧化影响)与采用模型II(不考虑氧化影响)计算结果相同。(2)(BC段)断裂强度随温度升高而降低。此阶段

7、，采用模型I计算结果比采用模型II计算结果要大些。(3)(CD段)此阶段断裂强度随温度升高线性降低。(4)(DE段)此温度区间，断裂强度随温度升高先降低然后增加。当温度为时，断裂强度大到最小值。当环境温度为时，采用模型I计算的材料强度比采用模型II计算的材料强度高30%。4．结论本文建立了预报超高温陶瓷强度的理论模型。研究表明：不同温度和氧化条件下材料断裂机制是不同的。当，没有化学反应发生，断裂强度随温度升高线性降低。当，HfB2发生氧化反应，断裂强度随温度升高而降低。当，B2O3开始升华，加速了材料断裂强度的降低。当，

8、SiC发生化学反应，材料断裂强度随温度升高先降低后升高。致谢感谢国家自然基金（GrantNo.10572068,GrantNo.90505015），国家973（GrantNo.G2003CB615600），黑龙江省教育厅科学研究项目（GrantNo.10051044）和黑龙江省骨干教师项目的支持。参考文献L.Kauf