热环境对超高温陶瓷材料抗热震性能的影响

基于超高温陶瓷材料相关材料参数对温度的敏感性,以现有的抗热震断裂评价理论为基础,通过考虑温度对超高温陶瓷材料物理性能的影响,探讨了热震温度范围内热应力衰减系数、表面热传递系数、热冲击初始环境温度等热环境参数对抗热冲击阻力参数、断裂临界温差和断裂临界温度的影响.      

升温热冲击环境下超高温陶瓷材料抗热震性能的热-损伤模型

在现有的抗热震理论基础上考虑到超高温陶瓷材料热物理性能对温度的敏感性及损伤在其使役历程中随温度的演化,建立了适用于升温服役环境下表征超高温陶瓷材料抗热震性能的热-损伤模型。该模型考虑了微裂纹尺寸、密度、热冲击环境温度等因素对材料抗热震性能的影响。利用此模型研究了超高温陶瓷材料在升温服役环境下损伤以微裂纹形核规律演化时对其抗热震性能的影响。从理论上验证了基于材料微结构设计思想在制备超高温陶瓷材料时,引进一定密度一定尺寸的微裂纹并控制其随温度演化规律以形核方式进行,既可以使材料保持较高的强度又能大幅度提升材料的抗热震性能。     

纳晶金属的力学行为

纳晶金属特指晶粒尺寸在($1 \sim100)$\,nm块体金属材料,其在力、热、声、电、磁等方面有着潜在应用,对它的制备、表征和模拟是材料科学及相关领域的重要前沿.由于纳晶金属结构简单,影响性能的因素相对单一,因而对结构与性能之间关系的理论研究具有深刻的意义.纳晶金属三维细观拓扑结构与常规多晶体类似,但由于晶粒尺寸减小,晶界原子体积比增加,因此呈现出与粗晶金属不同的性质,并且当微观物理过程的特征尺度大于晶粒尺寸时,与其对应的性质也将受到晶粒或者晶界的调制作用.本文从制备、力学性能和塑性变形机制3个方面介绍了纳晶金属力学的部分最新进展,并讨论了结构特征与力学性能之间的关系.      

固体氧化物燃料电池宏观力学效应研究进展

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种清洁高效且具有广泛应用前景的绿色发电装置. SOFC采用了陶瓷材料电极和电解质并在高温下工作, 力学损伤是造成其性能和寿命衰减的主要因素之一. 由于实验测试的局限性, 基于宏观力学模型的数值模拟是优化SOFC电池和电堆结构、提高其性能和耐久性的重要手段. 本文综述并评价了SOFC宏观力学效应的研究进展, 介绍了SOFC在制造、正常运行和长期工作的不同阶段受到的残余应变、阳极氧化应变、化学膨胀、工作热应变以及蠕变等力学效应. 总结了各种力学效应以及目前关注较少的电化力耦合效应的理论和数值模拟研究现状, 最后展望了SOFC宏观力学性能研究的发展前景.      

超高温、大热流、非线性气动热环境试验模拟及测试技术研究

超高温、大热流、非线性气动热环境试验模拟技术及相应的极端高温环境力学测试技术,是高超声速飞行器防热材料和结构安全设计中事关研制成败的关键技术。本文介绍了自行研制的可实现高至210℃/s的极快非线性升温速率、能够生成高达2MW/m2的瞬态非线性热流密度、实现高达1500℃超高温氧化热环境的石英灯红外辐射式气动热环境试验模拟系统。基于这一性能优越的超高温气动热环境试验模拟系统,发展了如下超高温热环境力学测试技术:1)提出对环境光变化不敏感的主动成像数字图像相关方法,实现了C/SiC复合材料1550℃高温变形的非接触、全场光学测量;2)发展了1400℃超高温热/力联合试验环境下SiC/SiC复合材料结构的断裂特性试验测试技术。本文还简要介绍了高速巡航导弹翼面结构900℃高温热振联合试验,950℃高温非线性热环境下的蜂窝结构隔热性试验等研究内容。本文所发展的超高温气动热环境试验模拟技术和高温热环境力学测试技术,对航天航空领域高超声速飞行器的研制具有重要的军事工程应用价值。     

热障涂层材料性能和失效机理研究进展

热障涂层材料破坏由大尺度屈曲和层离机制产生, 而这些机制又是微裂纹形核、扩展及相互连通结果的积累.由于特殊制备工艺和使用环境, 材料性能涉及到许多特殊机制.近半个世纪的研究,人们对其性能有了充分认识.综述 近几年的研究结果,内容包括:热生长氧化现象及其热力学描述;热生长应力与材料失效的联系;材料破坏机理与性能 控制参数和材料微组织的联系;微缺陷演化产生的材料屈曲和层离所需的能量释放率;破坏 准则、服役寿命预计模型和评价标准等.     

陶瓷/金属复合装甲冲击响应的三维SPH法分析

采用自编三维SPH程序对弹体侵彻陶瓷/金属复合装甲问题进行了数值模拟.为了描述金属和陶瓷材料非线性变形及损伤特性,在程序中嵌入Johnson-Cook和Johnson-Holmquist Ⅱ本构模型及Mie-Gruneisen状态方程.SPH计算得到的典型位移随时间变化曲线与实验结果吻合较好.通过数值模拟合理再现了弹体...     

非线性热环境下高温合金蜂窝板隔热性能研究

金属蜂窝板结构在高温热环境下的隔热特性是高速飞行器热防护设计的重要参数. 使用自行研制的高速飞行器瞬态气动热试验模拟系统, 对高温合金蜂窝平板结构在高达800℃的非线性热环境下的隔热性能进行实验研究, 获得了蜂窝板结构的瞬态和稳态传热特性以及在多种不同温度下金蜂窝平板结构隔热效果的实验数据. 在考虑结构内部蜂窝芯壁面间辐射、金属结构的传热以及蜂窝腔内空气传热的多重热交换条件下, 采用三维有限元计算方法对蜂窝板的隔热特性进行了数值模拟, 计算结果和试验结果的吻合性良好, 验证了数值模拟方法的可信性和有效性, 并为数值模拟方法能够在一定程度上较好地替代价格昂贵的气动热模拟试验打下了基础. 讨论了在复杂非线性高温环境下金属蜂窝板隔热效率的变化, 加热面温度的升降速度与隔热效率的关联性以及金属蜂窝板表面发射率的选取等问题, 对高速飞行器金属蜂窝结构的热防护研究具有重要的参考价值.      

超轻多孔金属材料的多功能特性及应用

超轻多孔金属是近年来随着多样化需求的材料制备以及机械加工技术的迅速发展而出现的一类新颖多功能材料, 是材料的选择及其性能研究的新课题. 本文介绍有关多孔金属材料与结构基础研究的国内外研究现状和发展趋势, 涉及材料制备、性能表征等方面, 着重于探讨多孔金属的多功能复合特性及其在国民经济和高技术中的应用.      

新型无硫磷含氮杂环化合物的制备及其摩擦学特性

合成了一种新型不含硫、磷的氮杂环化合物润滑油添加剂,二[(喹唑啉-4-酮)-N-亚甲基]正十二胺(DQMD),考察了其热稳定性和抗腐蚀性能,通过四球试验机和万能摩擦磨损试验机评价了其在液体石蜡中的摩擦磨损性能,并采用光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)和X射线光电子能谱仪(XPS)观察分析了磨损表面形貌及典型元素的化学状态.结果表明:所合成的添加剂具有良好的热稳定性、抗腐蚀性能和极压抗磨减摩性能.这归因于含添加剂的液体石蜡在摩擦过程中发生摩擦化学反应并生成由氧化亚铁/氧化铁、有机氮化物和含氮金属配合物等组成的混合边界润滑膜.     

Research progress on thermal protection materials and structures of hypersonic vehicles

Hypersonic vehicles represent future trends of military equipments and play an important role in future war. Thermal protection materials and structures, Which relate to the safety of hypersonic vehicles, are one of the most key techniques in design and manufacture of hypersonic vehicles. Among these materials and Structures, such as metallic temperature protection structure, the temperature ceramics and carbon/carbon composites are usually adopted in design. The recent progresses of research and applica- tion of ultra-high temperature materials in preparation, oxidation resistance, mechanical and physical characterization are summarized.     

金属型含能材料力学行为研究进展

含能材料是一种在高温/高压作用下能够发生化学反应,并释放大量能量的新型材料。金属型含能材料作为其中一类,因密度大、强度高、稳定性好等优异性能,成为了现代武器装备中关注的重点材料之一,在破片战斗部等军事领域有着广泛的应用潜力。其中,材料的力学性能直接影响武器装备对目标的侵彻能力,决定着对目标的最终毁伤威力,一直是武器装备应用中关注的关键参数之一。为实现金属型含能材料高穿甲能力并保证高释能特性,研究人员对其力学性能开展了大量研究。本文中,对金属型含能材料力学行为的研究现状进行了综述,包括简单介绍金属型含能材料的制备工艺和力学性能测试系统,详细梳理金属型含能材料力学性能研究、微观分析及理论研究等4个方面的研究进展。总结认为,目前对金属型含能材料力学性能的研究已经有了一些成果,但是缺乏其他复杂环境条件以及其他关键工艺对其力学性能影响的研究,同时缺少材料微观性能对其力学性能的影响以及微观行为和宏观行为之间关联机制的研究,并且尚未建立能够准确反映材料在热、力、率等复杂条件下的力学理论模型。因此,制备性能优异的金属型含能材料、开展复杂条件下金属型含能材料力学性能研究、探索微观行为与宏观行为之间的关联机制,以及建立和完善材料本构模型等研究内容,将是推动金属型含能材料工程应用的重点。

     

材料高温力学性能理论表征方法研究进展

随着科学技术的迅猛发展,材料在高温领域的应用越来越广泛.然而高温下材料的力学性能和常温相比有很大差异,材料的高温力学性能研究和表征已成为当前的研究热点.论文对材料在高温下力学行为理论表征方法研究的最新进展进行了总结和回顾.着重介绍了近年来高温陶瓷材料的断裂强度、金属材料的屈服强度、弹性模量与本构关系的温度相关性理论表征方法的研究进展.最后,总结已有研究工作的特点和不足之处,对材料高温力学性能理论表征方法的后续研究进行了展望,就进一步研究提供建议.     

Some specific features and consequences of the thermal response of rubber under cyclic mechanical loading

The present paper deals with the specificities of the thermal response of rubber under cyclic mechanical loading at constant ambient temperature. This question is important, since the stabilized thermal response is used in fatigue life criteria, especially for the fast evaluation of fatigue life. For this purpose, entropic coupling in a thermo-hyperelastic framework is first used to predict the variation in the heat source produced or absorbed by the material during cyclic loading. The heat diffusion equation is then used to deduce temperature variations under adiabatic and non-adiabatic conditions. The influence of several parameters on the stabilized thermal response is studied: signal shape, frequency, minimum and maximum stretch levels, multiaxiality of the mechanical state. The results show that, in the steady-state regime, the mean value between the maximum and minimum temperature variations over a mechanical cycle is different from zero. This is due to the specific variation in the heat source, which depends on both the stretch rate and the stretch level. This result has numerous consequences, in particular for fatigue. Indeed, the stabilized mean value between the maximum and minimum temperature variations during fatigue tests does not reflect only fatigue damage, since the entropic coupling also leads to a value different from zero. This is a major difference with respect to materials exhibiting only isentropic coupling, such as metallic materials.     

金属材料力学性能的辐照氦效应研究进展

金属材料在辐照过程中会发生嬗变反应,从而在材料内部形成氦泡,进而影响金属材料的宏观力学行为。因此,开展氦影响下金属材料力学性能的研究对抗辐照材料的设计及工程应用具有重要意义。氦对材料力学行为的影响是一个典型的多尺度问题,故本文从从原子尺度到宏观尺度针对含氦金属材料力学行为的研究方面进行了总结,主要包括氦原子的产生、氦团簇/氦泡的形成、氦泡在材料中的微观行为以及氦对材料宏观力学性能的影响。在此基础上,展望了该领域中存在的主要科学问题。     

金属材料力学性能的辐照氦效应研究进展

金属材料在辐照过程中会发生嬗变反应,从而在材料内部形成氦泡,进而影响金属材料的宏观力学行为.因此,开展氦影响下金属材料力学性能的研究对抗辐照材料的设计及工程应用具有重要意义.氦对材料力学行为的影响是一个典型的多尺度问题,故论文从从原子尺度到宏观尺度针对含氦金属材料力学行为的研究方面进行了总结,主要包括氦原子的产生、氦团簇/氦泡的形成、氦泡在材料中的微观行为以及氦对材料宏观力学性能的影响.在此基础上,展望了该领域中存在的主要科学问题.     

锆基非晶合金的动态弛豫机制和高温流变行为

非晶合金的动态弛豫机制对于理解其塑性变形,玻璃转变行为,扩散机制以及晶化行为都至关重要.非晶合金的力学性能与动态弛豫机制的本征关联是该领域当前重要科学问题之一.本文借助于动态力学分析(DMA),探索了Zr₅₀Cu₄₀Al₁₀块体非晶合金从室温到过冷液相区宽温度范围内的动态力学行为.通过单轴拉伸实验,研究了玻璃转变温度附近的高温流变行为.基于准点缺陷理论(quasi-point defects theory),对两种力学行为的适用性以及宏观力学行为变化过程中微观结构的演化规律进行描述.研究结果表明,准点缺陷理论可以很好地描述非晶合金损耗模量α弛豫的主曲线.基于非晶合金的内耗行为,玻璃转变温度以下原子运动的激活能U_β为0.63 eV.与准点缺陷浓度对应的关联因子χ在玻璃转变温度以下约为0.38,而在玻璃转变温度以上则线性增大.Zr₅₀Cu₄₀Al₁₀块体非晶合金在玻璃转变温度附近,随温度和应变速率的不同而在拉伸实验中显示出均匀的或不均匀的...     

金属材料的率-温耦合响应与动态本构关系综述

金属材料在冲击、爆炸等高应变率加载下的塑性流动行为具有不同于静载下的率-温耦合性和微观机制。航空航天、航海、能源开采、核工业、公共安全、灾害防治等方面的金属结构设计与性能评估需要进行大量的动载实验和数值模拟,建立准确的材料动态本构模型是结构数值模拟可靠性的基础和关键。本文中,总结了金属材料的率-温耦合变形行为及内在机理,回顾了金属动态本构关系研究的起源与发展脉络,分别针对唯象模型、具有物理基础的模型和人工神经网络模型进行了详细介绍和横向比较。唯象模型和人工神经网络模型分别因易应用和高预测精度而受到青睐,基于物理概念的宏观连续介质模型可以描述体现内部演化的真实物理量,从而涵盖更大的应变范围,更好地反映应变率、温度和应变的影响机制。

     

Biothermomechanics of skin tissues

Biothermomechanics of skin is highly interdisciplinary involving bioheat transfer, burn damage, biomechanics and neurophysiology. During heating, thermally induced mechanical stress arises due to the thermal denaturation of collagen, resulting in macroscale shrinkage. Thus, the strain, stress, temperature and thermal pain/damage are highly correlated; in other words, the problem is fully coupled. The aim of this study is to develop a computational approach to examine the heat transfer process and the heat-induced mechanical response, so that the differences among the clinically applied heating modalities can be quantified. Exact solutions for temperature, thermal damage and thermal stress for a single-layer skin model were first derived for different boundary conditions. For multilayer models, numerical simulations using the finite difference method (FDM) and finite element method (FEM) were used to analyze the temperature, burn damage and thermal stress distributions in the skin tissue. The results showed that the thermomechanical behavior of skin tissue is very complex: blood perfusion has little effect on thermal damage but large influence on skin temperature distribution, which, in turn, influences significantly the resulting thermal stress field; the stratum corneum layer, although very thin, has a large effect on the thermomechanical behavior of skin, suggesting that it should be properly accounted for in the modeling of skin thermal stresses; the stress caused by non-uniform temperature distribution in the skin may also contribute to the thermal pain sensation.     

Nonlinear bending and post-buckling of a functionally graded circular plate under mechanical and thermal loadings

Based on the classical nonlinear von Karman plate theory, axisymmetric large deflection bending of a functionally graded circular plate is investigated under mechanical, thermal and combined thermal–mechanical loadings, respectively, and axisymmetric thermal post-buckling behavior of a functionally graded circular plate is also investigated. The mechanical and thermal properties of functionally graded material (FGM) are assumed to vary continuously through the thickness of the plate, and obey a simple power law of the volume fraction of the constituents. Governing equations for the problem are derived, and then a shooting method is employed to numerically solve the equations. Effects of material constant n and boundary conditions on the temperature distribution, nonlinear bending, critical buckling temperature and thermal post-buckling behavior of the FGM plate are discussed in details.