力学所陶瓷热震尺寸极限研究获进展

　　材料的抗热震性是指材料在承受温度突然快速变化时抵抗破坏的能力。热震破坏现象在生活中是十分普遍的，例如冬天在玻璃杯中倒入开水，杯子因承受不了温度急剧变化而炸裂破坏。

　　如今，随着航空航天技术的发展，材料的服役环境变得十分恶劣，急需具有优良高温性能的高温材料。陶瓷因具有高熔点、耐腐蚀、耐磨损和高温化学稳定性等优点而成为航空航天最具有前景的候选材料，但由于其本征脆性，陶瓷材料易热震失效致灾难性的破坏。据统计，多于三分之一的陶瓷组件的破坏是由热震引起。因此材料的抗热震性能已经成为选择和设计材料的重要标准之一。

　　以前的研究指出，除了陶瓷的材料属性，陶瓷的两个外部因素，即特征尺寸和温差，在陶瓷的热震失效中起了关键作用。例如，陶瓷的抗热震性随特征尺寸的增加而减少，而在较高的温差下陶瓷更容易发生热震失效。但是，这两个因素对陶瓷的热震失效定量的影响尚未被理解得很透彻。在这项研究中，中国科学院力学研究所研究人员首先基于热传导和热应力理论获得了两个关键外部因素和陶瓷热震失效的关系，该关系表明，只要该材料的尺寸变得比尺寸极限小，或温度差小于临界温差，陶瓷将对热震不敏感；之后，从大尺寸跨度（尺寸相差20倍）的氧化铝球的水淬试验（如图1），他们验证了该关系与实验结果的吻合性（如图2）。以上结果将为防止陶瓷热震失效提供支撑。相关成果发表于Philosophical Magazine (Shao, et al, Philos Mag, 2014）。

　　上述研究得到了国家自然科学基金和非线性国家重点实验室专项基金的资助。

不同尺寸球体的表面热震裂纹，半径分别为2.10, 1.00, 0.56, 0.35和0.11 mm（从顶部到底部）, 在热震温差分别为(a)  -280 K； (b)  -380 K； (c)  -580 K； (d)  -780 K和(e)  -1280 K的情况下。

使用不同温度范围材料参数计算得到的结果与实验结果的比较, 实心标记表示开裂, 空心标记表示未开裂。