关键词:
超高温陶瓷复合材料
梯度化设计
抗冲击性能
抗侵彻性能
摘要:
高超音速飞行器结构用材要求高强韧、耐高温,且具有良好的抗冲击能力,超高温陶瓷材料以其优良性能成为了发展研究的重点。但目前主要以均质形式超高温陶瓷复合材料为研究对象,缺少对陶瓷复合材料结构形式设计的讨论。本文引入梯度化设计的思路,针对硼化锆基超高温陶瓷复合材料开展梯度结构形式设计,以静态压缩性能为基础,确定合理的结构形式,从动态压缩与靶板侵彻两个方面讨论结构形式对该材料抗冲击性能的影响规律,为超高温陶瓷材料梯度化设计与应用提供参考。
首先,基于梯度材料的设计理论和方法,总结材料物性参数模型与组分分布模型,以静态抗压力学性能为设计目标,设计ZrB2-SiC和ZrB2-SiC-ZrO2梯度陶瓷复合材料结构形式,在静态压缩数值模拟结果的基础上,分析结构形式、添加相含量等因素对超高温陶瓷材料静态压缩力学性能的影响规律,确定合理的结构设计形式与方法。
其次,结合梯度陶瓷材料静态压缩数值结果,选取合理的材料结构形式,将梯度材料参数引入JH-2本构模型,对ZrB2-SiC超高温梯度陶瓷材料的动态压缩力学行为进行数值分析,预报不同设计参数的梯度陶瓷复合材料动态压缩力学性能,分析梯度陶瓷材料的动态抗压强度、能量吸收效果与破坏失效模式,讨论梯度化设计及设计参数对该材料抗冲击性能的影响。结果表明,梯度陶瓷材料外层材料组分的设计是其动态抗压强度、能量吸收及动态压缩破坏的主要影响因素。
最后,以ZrB2-SiC和ZrB2-SiC-ZrO2梯度陶瓷复合材料平板为研究对象,研究梯度设计对超高温陶瓷材料抗侵彻性能的影响。将梯度变化的材料参数引入JH-2动态损伤本构模型,模拟梯度陶瓷材料平板侵彻过程。分析ZrB2-SiC与ZrB2-SiC-ZrO2梯度陶瓷材料的损伤、能量变化与破坏过程,探究靶板厚度、添加相含量与分布形式对其抗侵彻能力的影响规律,对比均质陶瓷靶板与梯度陶瓷靶板,讨论梯度化设计对该材料抗侵彻性能的提升效果。结果表明,当靶板厚度越大时,梯度陶瓷材料吸能性能效果越好,考虑梯度化设计的陶瓷靶板抗侵彻性能明显提升。