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Title: 微纳米颗粒陶瓷涂层体系损伤演化规律与失效机制研究
Alternative Title: Damage evolution behavior and fracture mechanism of nanostructured and conventional ceramic coating systems
Author: 刘海燕
Abstract: 陶瓷涂层由于具有良好的隔热性能被广泛应用在发动机的叶片、近空间飞行器的表面上,保护金属基底以防基底在高温下失效。陶瓷涂层服役环境中经常有热震现象发生,导致涂层受到拉应力作用,涂层内部和界面将会开裂。一旦涂层剥落,基底将会暴露在高温工作环境中。因此研究陶瓷涂层/合金基底体系(以下简称陶瓷涂层体系)的损伤演化规律和失效机制非常重要。以往的研究表明涂层厚度和微结构对陶瓷涂层体系抗热震性能有很大的影响。本文通过设计相关实验,应用热力等效原理,用机械载荷作用下的弹性失配来模拟热载荷作用下的热失配。通过常温下的原位弯曲实验、数值模拟以及理论分析来研究不同涂层厚度和微结构下体系的损伤演化规律和失效模式,对陶瓷涂层体系的设计提供一定的指导。主要的结论如下: (1)通过原位梁弯曲实验,同步监测陶瓷涂层体系裂纹扩展过程。实验结果表明体系的破坏模式依赖于涂层的厚度:三点弯曲实验下,薄涂层体系主要由横向裂纹主导失效;厚涂层体系主要由界面层裂主导失效。而四点弯曲实验下,薄厚涂层体系纯弯曲段均为横向裂纹主导失效,随着涂层厚度增加,横向裂纹数目减少,平均裂纹间距增大。 (2)通过在涂层内部和界面处布置大量内聚力单元,利用内聚力模型的弱化特征来表征体系失效的全过程。本文建立了一系列不同涂层厚度的计算模型,来研究陶瓷涂层体系在弯曲载荷作用下破坏模式的厚度依赖性。模拟的载荷–位移曲线、破坏模式与实验结果一致,表明内聚力模型能有效地模拟陶瓷涂层体系的断裂特征。 (3)通过原位圆薄板弯曲实验,同步监测陶瓷涂层体系裂纹扩展过程。实验结果表明体系的破坏模式依赖于涂层的厚度:薄涂层为拉伸引起的表面失稳(径向和环向)主导失效;厚涂层为径向表面拉伸失稳和界面层裂共同主导。随着涂层厚度增加,径向和环向裂纹数目减少,当涂层厚度达到一定值时,涂层内部只径向开裂且界面发生层裂。随着载荷增大,径向和环向裂纹向外扩展,涂层表面破坏区域增大。通过类比Mises屈服条件,建立了涂层表面拉伸失稳的破坏准则,来表征破坏区域半径随载荷的变化规律。另外,体系的破坏模式依赖于涂层的微结构,纳米颗粒涂层体系的抗弯性能高于传统微米颗粒涂层体系,因此涂层中的纳米结构有助于延长其使用寿命。 (4)灾变损伤模型和基于能量分析的损伤模型都能有效地刻画陶瓷涂层体系的损伤演化规律。两种模型均表明在临界载荷附近,损伤急剧增加,表现出灾变失效特征。研究结果表明损伤率依赖于应力状态和应力局部化程度。剪切主导的界面层裂比拉伸主导的涂层强度破坏损伤快;三点弯曲应力局部化程度比四点弯曲高,损伤快。
Degree Level: 博士
Issued Date: 2016
Degree Grantor: 中国科学院大学
Place of Degree Grantor: 北京
Supervisor: 魏悦广 ; 梁立红
Major: 固体力学
Language: 中文
Other responsible: 中国科学院力学研究所
Content Type: 学位论文
URI: http://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/60052
Appears in Collections:非线性力学国家重点实验室_学位论文

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