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颗粒增强超高温陶瓷基复合材料温度相关性接触力学性能理论表征模型

超高温陶瓷基复合材料,力热能量密度等效原理,接触力学性能,温度相关性理论模型

颗粒增强超高温陶瓷基复合材料因其具有的良好的力学性能、抗氧化性能及其应用稳定性而被广泛地应用于高超音速飞行器的热防护材料体系。考虑到超高温陶瓷基复合材料在其使役历程中所要经历的复杂的高温环境与不可预知的外在接触力的作用，合理表征其高温下的接触力学性能对材料的设计及其在复杂极端环境下的应用至关重要。本工作建立了颗粒增强超高温陶瓷基复合材料在赫兹接触条件下接触力学性能的温度相关性理论模型。通过材料的温度相关性弹性模量、泊松比、比热容与临界缺陷（裂纹）尺寸等基本材料参数实现了材料温度相关性屈服强度、脆性和准塑性损伤模式的起始临界载荷、压痕强度与常用的断裂强度的表征。所建模型能够对陶瓷基复合材料在整个赫兹接触过程中的接触破坏行为进行先验与定量的预测，为获取高温下材料的破坏行为的主要的控制机制提供了方法。模型预测的不同的超高温陶瓷基复合材料的屈服强度、脆性和准塑性损伤模式的起始临界载荷、压痕强度与常用的断裂强度与实验测试结果取得了很好的一致性。模型预测结果表明了陶瓷基复合材料的接触损伤行为的温度相关性主要受材料的温度相关性弹性模量和比热容以及超过某一温度点的损伤（裂纹）尺寸变化的影响。本工作所提出的温度相关性模型可用于预测材料性能数据，解释实验现象与验证实验猜测，更重要的是，能够结合实验结果明确控制材料接触力学性能在不同温度下的主要的机制。