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改善陶瓷材料的抗热震性能历来就是陶瓷材料研究的重大课题之一,而正确评价陶瓷材料的抗热震性能是进行这一重大课题研究的基础。目前对于抗热震性虽然有一定的理论解释,但尚不完善,还未能建立反映实际材料在各种使用工况下的抗热震性能的数学模型。因此,根据我国发展航天飞行器的背景需求,开展超高温陶瓷材料抗热震性能的研究具有重要的理论意义和工程应用背景。基于超高温陶瓷材料性能参数对温度的敏感性及航天飞行器表面热环境的复杂性,本项目通过引入环境因素和时间变量,在理论、实验和数值模拟的基础上,研究影响超高温陶瓷材料抗热震性能的各种因素、高温损毁机理及演化规律,建立可考虑热环境影响的适用于超高温陶瓷材料的抗热震性能评价理论,为抗热震性能的表征提供一种探索性的方法,并为提高抗热震性能提供可能的途径。同时,通过本项目的研究也可为超高温陶瓷材料在航天飞行器领域的设计、应用及可靠性评价方面提供理论基础和技术储备。
批准号 |
10702035 |
项目名称 |
超高温陶瓷材料抗热震性能研究 |
项目类别 |
青年科学基金项目 |
申请代码 |
A0814 |
项目负责人 |
李卫国 |
负责人职称 |
教授 |
依托单位 |
重庆大学 |
研究期限 |
2008-01-01 至 2010-12-31 |
支持经费 |
22(万元) |
超高温陶瓷材料有: 1、氧化铝陶瓷 氧化铝陶瓷(人造刚玉)是一种极有前途的高温结构材料. 2、氮化硅陶瓷 3、氮化硼陶瓷、碳化硼陶瓷 4、人造宝石 5、碳化硅(SiC)陶瓷
耐高温陶瓷材料有以下这些的: 1、氧化铝——耐高温,耐蚀,耐磨。良好的电绝缘性。1600℃。作坩锅、高温热电偶套管、、模具等。 2、氮化硅——有良好的高温强度,热膨胀系数较小,导热系数高,抗热震性能好...
瓷都是经过1300度左右的高温烧成的,材料是瓷泥。本身就是耐高温材料,而陶烧成温度较低,也有800度左右。
低压铸造陶瓷升液管材料抗热震性研究
对用不同稳定剂制备的两组钛酸铝陶瓷材料进行抗热震性试验,采用扫描电镜及能谱分析探讨钛酸铝陶瓷的组成与抗热震性之间关系。试验结果表明,添加MgO、Y2O3作为稳定剂的钛酸铝陶瓷材料具有良好的抗热震性能,试样经750℃循环60次而无表面破损,可以满足铝合金低压铸造升液管的使用要求。
理论上,对陶瓷与耐火材料处于脆性阶段的抗热震性已提出两种互补的分析。一种是热弹性理论,认为材料受到的热应力超过材料的极限强度时,导致瞬时断裂,即所谓的"热震断裂"。金格里(W.D.Kingery)根据不同的热震条件,导出"抗热震断裂参数"R,侧和R"表达式。
为避免热震断裂的发生,要求具有较高的强度、热导率或热扩散率,以及低的线膨胀系数和弹性模量。另一种是能量理论,认为材料中不可避免地存在着或大或小数量不等的微裂纹,材料的热震损伤是裂纹扩展的结果。哈塞曼(D.P.H.Hasselman)用断裂力学中的能量平衡原理分析热应力引起的裂纹扩展,适用于比较G不同材料的杭热震性)1式中G为断裂能.对多数耐火材料,为减小热震裂纹5扩展的程度,要求具有较高的断裂功和弹性模量,较低月的强度。在此,对弹性模量和强度的要求,刚好与为避另免热震断裂发生的要求相反。海塞曼还提出一种热震断裂发生与裂纹扩展的统一理论,所命名的参数为"热本应力裂纹稳定性参数"。
衬火材并在低温和中温下是脆性材料,缺乏延性,在热工设备使用中,常常受到急剧的温度变化,导致损伤。抗热震性是耐火材料重要的使用性能之一。抗热震性机理材料的抗热震性,是其力学性能与热学性能在温度变化条件下的综合表现。材料遭受的急剧温度变化,称为热震。
材料在热震中产生的新裂纹,以及新裂纹与原有裂纹扩展造成的开裂、剥落、断裂等状况,称为热震损伤。热震损伤是热应力作用的结果。材料在温度变化时,变形受到抑制所产生的应力为热应力。线膨胀系数不同的多相物体在温度变化时,均匀热膨胀的物体受到温度梯度作用时,以及相变时,都会产生热应力。热应力与材料的弹性模贡及弹性应变成正比,而弹性应变等于线膨胀系数和温度变化的乘积。
热抗震性试验是评价试样经受1次或多次温度急剧变化的损伤程度。表征抗热震性,需要两个要素:试样经受的热循环和评价其热震损伤程度所用的方法。试样经受的每一热循环,包括两个阶段。在第1个阶段,整个试样或只其1部分(例如一个面)加热到初始温度Ti。在此加热期间,加热速率不导致过大的应力。热震是在由初始温度Ti迅速变为最终温度Tf的第2个阶段完成的。如Ti>Tf,热震由冷却完成; 如Ti
标准试验方法如下:
(1)中国的直形砖水淬冷法(YB 376)。直形砖( (200~230mm) × (100~150mm) × (50~100mm)) 的受热端面伸入到预热至1100℃的炉内50mm,保持20min,接着在室温水中淬冷3min,然后干燥。用受热端面破损一半的热循环次数表征其抗热震性。
(2)中国的长条试样试验法(YB 4018)。长条试样 (230mm×114mm×31mm或230mm×65mm×31mm)以一个面(230mm×31mm)为受热面,在均热板上自室温以规定的速率加热至1000℃,保持30min,然后置于空气中淬冷。以热震前、后抗折强度变化百分率评价其损伤程度。
(3)美国的镶板试验法(ASTMC38)。试验砖叠砌成的边长不小于460mm的正方形镶板,预热24h,冷却,然后按要求的次数在炉子和喷水雾的鼓风机之间经受热循环,以质量损失与外观检查评价其热震损伤程度。
(4)美国的长条试样试验法(ASTM C1100)。长条试样(长度为228mm的直砖、薄片砖、条等)横跨燃气烧嘴。从点火开始,加热15min,热面温度为816~1093℃,然后关闭燃气,通过烧嘴鼓风冷却15min。循环5次。以试样热震前后的弹性模量、声速或抗折强度变化百分率,评价其损伤程度。
(5)欧洲耐火材料生产者联合会的圆柱体试样水淬冷法 (PRE/R5-1)。圆柱体试样 (直径50mm,高50mm)于950℃炉中加热15min,接着在室温水中淬冷3min,之后干燥。用导致断裂的热循环次数表征其抗热震性。
(6)欧洲耐火材料生产者联合会的棱柱体试样空气淬冷法(PRE/R5-2)。棱柱体试样(114mm×64mm×64mm) 加热至950℃,保持45min,然后置于铁板上,用一股压缩空气喷射5min,之后经受0.3MPa的弯曲应力,当试样断裂时,试验结束,否则,重复热循环,直至断裂或30次为止。
(7) 英国的小棱柱体试样试验法 (BS1902:5.11)。小棱柱体试样(75mm×50mm×50mm)置于冷炉内,以恒定的速率加热到450℃(硅砖)或1000℃或1200℃(其他材料),在该温度下保持30min,之后经受空气冷却和加热循环,每次20min。每一循环后,经受固定的弯曲应力,循环重复至断裂或30次为止。