1.4.2 抗熱震性能

材料的抗熱震性指材料在溫度劇變情況下抵抗熱沖擊的能力。材料熱震失效可分為兩大類: 一類是瞬時斷裂，稱為熱震斷裂；另一類是在熱沖擊循環(huán)作用下，材料先出現(xiàn)開裂、剝落，然后碎裂和變質，終至整體破壞，稱為熱震損傷[14，39]。

抗熱震斷裂是根據(jù)熱彈性理論，并以材料的力學和熱學性能參數(shù)加以表征。對急劇受熱或冷卻的陶瓷材料，若溫差ΔT引起熱應力達到陶瓷材料斷裂強度，則熱震斷裂發(fā)生。

熱震損傷理論是基于斷裂力學理論而提出的，以熱彈性應變能W和材料的斷裂能U之間的平衡條件作為熱震損傷的判據(jù)，即

W≥U

當熱應力導致的儲存于材料中的應變能W足以滿足裂紋成核和擴展而新生表面所得的能量U時，裂紋就形核并擴展[40~41]。

對于梯度結構材料，由于其結構的特殊性，其抗熱震性能表現(xiàn)出不一樣的特性，計算模型也有所不同。相關研究認為，梯度結構材料的內熱應力及評估其在熱沖擊下的抵抗力非常重要[42~43]。一種方法是使用熱彈性理論對其性能進行評估。這種方法要求在材料體中，沒有任何預制裂紋。選擇材料的性能避免在熱震開始時產(chǎn)生斷裂?？偟膩碚f，要求材料有高的抗拉強度，高的熱導性，高的熱擴散性，低的熱膨脹系數(shù)，低的楊氏模量和泊松比。另一種方法認為梯度結構材料抗熱震性能與熱應力和裂紋的擴展相關，涉及兩種不同的邊界問題的求解。前者屬于經(jīng)典熱導理論的范疇，后者是固體材料在不均勻應力場下的斷裂問題。這是一個很復雜的斷裂分析，裂紋的擴展涉及到瞬時應力，而應力強度因子(SIF)是裂紋尺寸、相應熱傳導和熱彈性系數(shù)的函數(shù)。

由于數(shù)學上的困難，梯度結構材料斷裂時的瞬時熱效應(transient thermal effects)并沒有受到人們的關注。一般認為材料在瞬時熱應力的作用下的強度取決于材料的熱膨脹系數(shù)、熱導性、熱擴散性、斷裂韌性、抗拉強度和彈性性能等。對于梯度結構材料，材料不均勻性因子，如梯度指數(shù)，也能夠顯著地影響材料的瞬時熱應力和熱斷裂。梯度結構材料抗熱震斷裂的理論計算包括初始熱應力斷裂、裂紋繼續(xù)擴展的條件。有研究者將有限元方法和有限差分方法聯(lián)合起來求解決定瞬時溫度分布的時間依賴方程。假設材料在最大熱震條件下放置而不發(fā)生破壞，計算兩種條件下梯度結構材料的抗熱震性能: 一是材料的某處的最大拉應力等于材料抗拉強度；二是預制裂紋的最大SIF等于材料的斷裂韌性。

根據(jù)抗拉強度建立的抗熱震性能的理論模型，如圖1-21所示。

圖1-21 抗熱震性能的理想模型