[发明专利]一种超高温陶瓷材料高温强度间接测试方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种超高温陶瓷材料的强度测试方法。

背景技术

超高温陶瓷(Ultra High Temperature Ceramics，简称UHTCs)是指在超过2000℃以上有氧气等条件下仍能照常使用的最耐热高级陶瓷,该超高温陶瓷材料在温度达到1600℃时仍具有较好的抗氧化性,它主要应用于高超音速导弹、航天飞机等飞行器的热防护系统如翼前缘、端头帽和发动机的热端。

本专利申请中所述的高温强度是指温度在1200℃—3200℃范围内的材料强度。作为超高声速飞行器热防护材料的超高温陶瓷材料，其高温强度是衡量材料可靠性的重要参数。提高超高温陶瓷材料的高温强度一直以来就是行业追求的目标，这自然与高温强度的测量相关联。目前，有关高温强度的研究侧重于实验研究，实验测试的温度还比较低，远远达不到高温强度的测试条件，低温测试无法获得高温强度的数据。

目前，高温强度测试的难度很大，实验费用昂贵，没有统一的测试方法和标准，测试值分散性大。强度实验属于一系列的破坏性实验，需要一系列的试件，对陶瓷材料由于存在初始缺陷和工艺差异较大，将导致温度T下对应的材料强度(σ_th(T))的实验结果不准确；与之相对，温度T下对应的弹性模量(E(T))只需使用同一个试件进行实验即可，一次实验就可得到一系列弹性模量E(T)的数据，避免了因试件差异带来的实验结果的不准确。

在高温下的陶瓷三点弯曲实验用于高温强度(σ_th(T))的预测，随着温度的升高超高温陶瓷材料拉压各向异性逐渐增强，需要对三点弯强度计算公式进行修正以消除其拉压各向异性的影响，但是，在不同温度下如何对三点弯强度计算公式做出合理的修正本身就是一个尚未解决的难题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种超高温陶瓷材料高温强度间接测试方法，它能解决现有条件下不能预测超高温陶瓷材料高温强度的难题，能预测在各温度下的高温强度。

本发明所要解决的技术问题是通过这样的技术方案实现的：依据测得的超高温陶瓷材料弹性模量随温度变化的实验数据以及参考温度下的材料强度和弹性模量，建立不同温度下材料强度与弹性模量的数学式模型，计算与超高温陶瓷材料弹性模量对应的温度下的高温强度。

由于建立了不同温度下材料强度与弹性模量的数学式模型，且该数学式模型中没有任何拟合参数；数学式模型中，材料弹性模量随温度变化的实验数据容易从实验得到，参考温度下的材料强度和弹性模量能通过实验容易得到，热容、熔化热和材料的熔点可以很容易地从材料手册查到，由此计算所得的材料高温强度避免了高温强度实验带来的困难，实现了在现有条件下用数学式模型进行高温强度的预测，数学式模型揭示了影响材料高温强度的物理机理。

本发明的技术效果是：实现了在各温度下材料高温强度的可靠预测。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1为TiC陶瓷材料的弹性模量E(T)随温度变化的曲线图；

图2为TiC陶瓷材料预测的高温强度σ_th(T)随温度变化的曲线图。

具体实施方式

本发明的构思是：对超高温陶瓷材料高温强度试验测量的难点进行简化，从易获得的参数如材料弹性模量、定压热容、熔化热等出发，建立超高温陶瓷材料高温强度的数学式模型。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

本方法发明是：依据测得的超高温陶瓷材料的弹性模量随温度变化的实验数据以及参考温度下的材料强度和弹性模量，建立不同温度下材料强度与弹性模量的数学式模型，计算与超高温陶瓷材料弹性模量对应的温度下的材料高温强度。

建立不同温度下材料强度与弹性模量的数学式模型如下：

该数学式模型建立的基本设想是：①、对一种特定材料，认为其存在一个储能极限，即材料发生破坏时对应一个固定不变的能量最大值，这个最大值可以用应变能表征，也可以用热能进行表征。②、从对材料的破坏效果讲，认为材料储存的热能与应变能之间存在一种定量的等效关系。

由以上设想得到材料发生破坏时能量最大值表达式: