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Editor's Pick | 方岱宁院士、李卫国教授研究团队：材料超高温力学性能表征研究综述

材料

作者：BMC 2022-01-12

标题：Review on mechanics of ultra-high-temperature materials

航空航天的征程中，耐超高温的材料和结构是核心挑战。太阳探测器在太阳表面约1000万公里的地方，面临100万摄氏度的高温；高超声速飞行器的鼻锥和翼前缘，温度可达3000 ℃以上，液体火箭发动机喷嘴出口温度可达2000 ℃以上。建立这些飞行器安全标准的首要任务，就是获得其中的材料和结构在极端高温下的腐蚀、蠕变、疲劳等力学规律。与之相应的高温表征方法和高温下的力学理论是工程科学的“圣杯”式挑战。方岱宁院士，李卫国, 成天宝, 曲兆亮, 陈彦飞, 王如转和艾士刚等科研人员，结合自身在超高温下的力学测试、理论分析、设备研制等方面的研究积累，在最新的AMS综述中，全面总结了这一领域的最新进展，为进一步提升超高温材料与结构的应用、设计、可靠性评价、设备研制等提供了前瞻性见解。
—— 魏宇杰

研究背景：

超高温材料和结构被广泛应用于航空航天等高新技术领域，遭受的使役环境温度越来越高，例如，高超声速飞行器非烧蚀型鼻锥和翼前缘及有限寿命的液体火箭发动机喷嘴出口温度均可达到2000℃以上，且会面临氧化环境。超高温服役环境下材料的力学行为和失效破坏形式复杂多样，与常温差别很大。材料的超高温力学性能理论表征与测试是高温领域发展的难点。创建具有深刻物理背景的温度相关性理论与提出系统的高温表征方法是极具挑战性的工作。

研究进展：

实验方面，众多学者在材料超高温力学性能试验研究方面取得了许多优秀的成果，惰性气氛下测试温度可到3000℃，大气环境可达1800℃（拉伸试验可达1950℃）。理论方面，考虑拉压异性、单边裂纹闭合效应、正交各向异性以及热硬化效应等的陶瓷基复合材料高温本构关系已经建立；新提出的力热能量密度等效原理等被应用于超高温陶瓷材料高温断裂强度与韧性等力学性能的定量理论表征，建立了不含拟合参数的温度相关性理论模型。数值计算方面，基于材料热力学理论发展的相场方法被应用于材料热-力-氧耦合行为研究，针对具有复杂几何结构材料的热-力-氧耦合仿真问题开发的计算单元（UEL）或为材料在复杂高温氧化环境下的力学性能表征提供了一种有力的计算手段。

图1 ZrB₂和ZrB₂-20 vol.% SiC陶瓷材料断裂强度vs温度

图2 超高温环境下C/SiC复合材料拉伸应力-应变曲线实验结果与理论预测对比

图3 含微孔洞的镍基高温合金的高温氧化行为仿真

未来展望：

国内外学者在高温力学性能实验、理论及数值模拟研究方面已取得了重要进展，推动了高温固体力学的发展，但考虑到材料在超高温环境下失效破坏所涉及的损伤、氧化、塑性和流变等带来的非线性及材料的蠕变、局部热失配等关键问题，未来应继续致力于超高温复杂环境下力学性能测试与理论表征方法研究及相关设备研制，可进一步为超高温材料与结构的应用、设计及可靠性评价特别是研制出适用于更宽服役温域的材料提供理论基础和技术储备。

通讯作者：

方岱宁，北京理工大学教授，中国科学院院士，美国机械工程师学会会士，材料与结构力学领域专家。主要从事先进材料与结构力学理论、计算与实验方法研究。发展了先进材料多场多轴加载和测试技术与实验方法，突破了系列热/力/氧耦合环境下材料性能测试技术，自主研制了一系列超高温测试仪器，填补了国内空白，成为我国航天超高温力学性能测试的主要平台之一，支撑了航天返回舱、重点型号导弹等国防重大装备研制，出版了超高温力学领域的国际首部专著《超高温材料力学》。拓展了铁电/铁磁材料宏微观变形与断裂理论，在有限元分析与器件设计中获得应用。发展了先进材料与结构力电磁热多场多尺度计算力学方法与设计制备方法，研究成果在国际首颗增材制造卫星、国内首例轨道交通装备主承力异型复合材料悬浮架结构等高端装备结构中获得应用。获得国家自然科学二等奖2项，教育部“高等学校自然科学奖”一等奖3项、技术发明一等奖2项，并获得何梁何利科技进步奖、周培源力学奖、徐芝纶力学一等奖，以及国际计算方法大会最高金质奖章等。已出版中英文学术专著5部，在国内外顶级期刊发表学术论文500多篇，连续七年获评Elsevier中国高被引学者。

李卫国，重庆大学教授、博士生导师，入选国家“万人计划”科技创新领军人才、科技部中青年科技创新领军人才、教育部新世纪优秀人才支持计划。主要从事材料的高温力学性能、强韧化理论、损伤与断裂力学及本构关系，超高音速飞行器热防护材料及技术，极端环境下材料力学行为测试技术、仪器设备研制及表征方法等相关研究。原创性提出了材料温度相关性力学性能定量理论表征思想——力热能量密度等效原理，创建了高温强度理论，获得了系列原创性科研成果；该思想已成功拓展应用于对多种材料体系更广泛温度相关性力学性能与物理性能的理论表征；此外，通过建立不同超常环境下相对应的其他形式能量间的等效关系，也可拓展应用于超高/低温、热冲击、高热流、强辐照、极高真空、超高压、强磁场、强化学环境、高过载和高应变速率等及其组合更广泛超常环境下材料服役行为的理论表征。在包括JMPS、JACerS、JECerS、IJP、IJSS、JAM、CST、JAP、AIAA J.在内的国际期刊上发表SCI论文150余篇。主持国家自然科学基金项目7项，包括国家重大科研仪器研制项目1项（1055.65万元）、重大研究计划培育项目1项、面上项目4项及青年基金1项。授权发明专利13项。