超高温陶瓷材料抗热震性能研究

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。

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T_i。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T_i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T_i f，热震由加热完成。在热震由冷却完成的情况下，试样首先在预热炉中被加热到初始温度T _i，并保持10～30min。最终温度T _f，通过迅速将试样移至低温炉中达到，或者通过在室温环境中自然冷却达到，或者通过鼓风冷却达到，或者通过在T _f温度下的水浴（或其他浴）中淬冷达到。在热震由加热完成的情况下，试样温度由T _i迅速变为T _f，可将试样移至高温炉实现。评价热震损伤程度所用的方法，通常是测量热震后试样的保持强度。但强度这一参数的统计偏差较大。其他评价方法有外观检查、质量损失、弹性模量变化、声发射等。

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。