力學所陶瓷熱震尺寸極限研究獲進展

　　材料的抗熱震性是指材料在承受溫度突然快速變化時抵抗破壞的能力。熱震破壞現象在生活中是十分普遍的，例如冬天在玻璃杯中倒入開水，杯子因承受不了溫度急劇變化而炸裂破壞。

　　如今，隨著航空航天技術的發展，材料的服役環境變得十分惡劣，急需具有優良高溫性能的高溫材料。陶瓷因具有高熔點、耐腐蝕、耐磨損和高溫化學穩定性等優點而成為航空航天最具有前景的候選材料，但由于其本征脆性，陶瓷材料易熱震失效致災難性的破壞。據統計，多于三分之一的陶瓷組件的破壞是由熱震引起。因此材料的抗熱震性能已經成為選擇和設計材料的重要標準之一。

　　以前的研究指出，除了陶瓷的材料屬性，陶瓷的兩個外部因素，即特征尺寸和溫差，在陶瓷的熱震失效中起了關鍵作用。例如，陶瓷的抗熱震性隨特征尺寸的增加而減少，而在較高的溫差下陶瓷更容易發生熱震失效。但是，這兩個因素對陶瓷的熱震失效定量的影響尚未被理解得很透徹。在這項研究中，中國科學院力學研究所研究人員首先基于熱傳導和熱應力理論獲得了兩個關鍵外部因素和陶瓷熱震失效的關系，該關系表明，只要該材料的尺寸變得比尺寸極限小，或溫度差小于臨界溫差，陶瓷將對熱震不敏感；之后，從大尺寸跨度（尺寸相差20倍）的氧化鋁球的水淬試驗（如圖1），他們驗證了該關系與實驗結果的吻合性（如圖2）。以上結果將為防止陶瓷熱震失效提供支撐。相關成果發表于Philosophical Magazine (Shao, et al, Philos Mag, 2014）。

　　上述研究得到了國家自然科學基金和非線性國家重點實驗室專項基金的資助。

不同尺寸球體的表面熱震裂紋，半徑分別為2.10, 1.00, 0.56, 0.35和0.11 mm（從頂部到底部）, 在熱震溫差分別為(a)  -280 K； (b)  -380 K； (c)  -580 K； (d)  -780 K和(e)  -1280 K的情況下。

使用不同溫度范圍材料參數計算得到的結果與實驗結果的比較, 實心標記表示開裂, 空心標記表示未開裂。