高温固体力学

第1章绪论 1.1高温固体力学概述 力学是关于力、运动及其关系的科学，研究介质运动、变形、流动的宏微观行为，揭示力学过程及其与物理、化学、生物学等过程的相互作用规律。力学起源于对自然现象的观察和生产劳动中的经验，自阿基米德奠定了静力学基础以来，在一千多年的发展历程中，形成了以“牛顿力学”“连续介质力学”为代表的严密、成熟的理论体系和“实验观测、力学建模、理论分析、数值计算”相结合的研究方法。在实验和假设基础之上，通过精妙的力学建模和推理过程建立理论，用严格而理性的数学思维描绘复杂物质世界的现象，进而深化对实际问题中基本规律的认识；应用理论和实验相结合的方法，由表象到本质，由现象到机理，由定性到定量，解决自然科学和工程技术中的关键问题［1］。人类认知和改造自然离不开力学，人类的历史有多久，力学的历史就有多久。办学永远是既经典又有活力的年轻科学。 固体力学是力学学科中的一门极为重要、应用甚广的基础分支学科。固体力学是研究可变形固体在载荷、温度、湿度等外界因素作用下，其内部质点的位移、运动、应力、应变和破坏等规律。固体力学中的固体一般指在一定的时间尺度内可有效承力的连续介质。固体力学旨在认识与固体受力、变形、流动、断裂等有关的全部自然现象，并利用这些知识来改善人类的生存条件，实现人类发展的各种目标。也可以说，固体力学是研究可变形固体及结构在外界因素作用下，其内部质点所产生的位移、应力、应变及破坏等规律的一门学科。固体物质及其结构的多样化，使其在不同外界因素作用下的响应丰富多彩，如弹性、塑性、蠕变、断裂和疲劳等。而众多自然现象和关键工程问题，则是固体力学研究对象的实例。固体力学兼具技术科学和基础科学的双重属性。它既为工程设计和发展生产力服务，也为发展自然科学服务。 在20世纪，固体力学伴随着航空航天技术的兴起而飞速发展，在飞机、弹道导弹、运载火箭、卫星、飞船、空间站及相关地面设备的设计、生产、维护和运行中的一系列问题的解决过程中，逐步形成了弹性力学、板壳理论、塑性力学、断裂力学、损伤力学、计算力学和高温固体力学等一大批新型固体力学分支［2］。 “热”是自然界*为普遍且到目前为止*难认知和把握的现象之一，也是人类征服自然、改造世界*为有利的工具之一。高温会对材料力学行为产生严重影响，并可能与复杂的物理化学反应相互耦合。高温固体力学主要研究在高温和时间作用下可变形固体介质及结构的受力、变形、失效以及相关变化和效应。传统意义的高温一般指使用温度与材料熔点之比超过0.4～0.5的情况，对金属材料来说，高温会导致黏塑性增加、强度下降、时间累积效应显著。 20世纪50年代，针对航空航天、国防与武器装备等领域对高温结构材料的急迫需求，我国开始发展高温蠕变力学，中国科学院力学研究所塑性力学研究组建立高温蠕变实验室，力求跨力学、材料学学科，通过宏观和微观、实验和理论相结合进军这一前沿热点问题。1958年，钱学森先生［3］创建中国科技大学近代力学系，设立包括“高温固体力学”在内的四个新型专业；同时在高速导弹、返回式航天器热防护系统设计和研制过程中大大促进了相关力学理论与方法的发展。半个多世纪以来，高温固体力学秉承“技术科学思想”，不但丰富了力学学科本身，而且为国家安全、国民经济发展提供了重要的支撑作用。 进入21世纪，航空航天技术呈现出空前的辉煌，人类已经探索了火星表面，也飞过了太阳系的边缘，发展了一系列有别于传统的新型航天器，实现了地球各个角落的快捷、便利、可靠到达。新型航天器所面临的服役环境更为苛刻，需要的结构效率和可靠性更高，抵抗极端空间环境的能力更强，型面控制精度更精确，且*大可能满足可重复使用、长寿命和低成本要求。高温固体力学作为航空航天科学技术*重要的基础和支撑学科之一，在学科发展和工程应用的“双力驱动”下快速发展，不断提升模型的描述和预测能力，积极谋求与其他学科进行交叉创新，突破和解决这些问题，才能适应新时代航空航天技术的发展特点与趋势。 1.2航空航天领域的极端高温服役环境 航空航天领域中涉及极端高温环境的装备主要有返回再入大气层航天器、高超声速飞行器、航空发动机、冲压发动机及火箭发动机等。 对于再入大气层或在大气层内飞行的高超声速飞行器，飞行器与大气层内的空气相互作用，在头部周围形成一个强的弓形激波。由于黏性耗散效应和激波强烈压缩，巨大的动能损失中的一部分转变为激波层内气体的内能，从而产生气动热。当飞行器以马赫数大于5的高超声速在大气层内和临近空间飞行时，鼻锥、翼前缘等部位的温度达到上千度甚至更高，飞行器结构大面积的温度也将在几百度乃至上千度。例如，当飞行器在海拔27 km的高空以马赫数8的速度飞行时，飞行器的机翼前缘、鼻锥、进气道等位置的高温热负荷*高将近2300℃［4］。X37B作为可重复使用飞行器，由于翼面积小，加之再入大气时速度高，气动加热比航天飞机更加严重，翼前缘温度达1649℃以上［5］。另外，高超声速飞行时防热结构还要承受高噪声、强振动和高速冲击等严酷载荷，而大气中的氧气和高速气流的冲刷，亦会造成防热结构氧化进而加速其热损伤甚至烧蚀。 航空发动机是一种高度复杂和精密的热力机械，为飞机提供飞行所需的动力。航空发动机燃烧室、涡轮和尾喷管等构件内均属热端环境，其中的热端构件承受的环境特点是高温燃气介质与各种应力的耦合。例如，对于军用涡喷／涡扇发动机，当推重比达12～15时，发动机燃烧室冷却后的壁面温度超过1100℃，高压涡轮进口温度预计在1700℃以上；当推重比达15～20时，发动机燃烧室冷却后的壁面温度将超过1200℃，加力燃烧室中心温度超过2000℃［6］。 冲压发动机是一种无压气机和燃气涡轮的航空发动机，主要由进气道、燃烧室和尾喷管构成。进入燃烧室的空气利用高速飞行时的冲压作用增压。超声速或高超声速气流在进气道扩压到马赫数4的较低超声速，然后燃料从壁面和／或气流中的突出物喷入，在超声速燃烧室中与空气混合并燃烧，燃烧后的气体经喷管排出，产生推力。当飞行速度大于马赫数6时，燃烧室内燃气温度可高达2727℃［6］。对于发动机流道，不仅要承受由于热流分布不均而引起的热应力，还要承受由于气流速度快而产生的冲刷与噪声以及发动机／机身一体化导致的气动力载荷等。 火箭发动机作为航天飞行器的动力装置之一，其基本原理是化学推进剂在燃烧室中燃烧，产生高温高压的燃气，燃气经喷管膨胀加速，热能转化为动能，产生推力。在这个动力实现过程中，喷管必须承受燃气高温、高压、高速和化学气氛等严酷而复杂的热物理化学作用。例如，美国MinutemanⅢ陆基导弹、TridentⅡD5潜地导弹的固体火箭发动机采用高性能推进剂，燃气温度达3300～4800℃，燃烧时Ⅰ级工作压强达9～12MPa。除了需要承受极高的温度和高速燃气流的冲刷与侵蚀，由于升温速度极快，还会产生很大的温度梯度和热应力，热端部件也会承受很大的热冲击。 1.3航空航天技术的发展需求 航空航天技术的需求是高温固体力学发展的主要驱动力。进入21世纪，随着人类征服和利用时空能力、武器装备发展需求的提升，多种空天飞行器应运而生。空天飞行器，即“航空航天飞行器”的简称，从广义上讲是指能够在大气层飞行，也可穿过大气层进入空间在轨运行和再入返回的飞行器。理想情况下，空天飞行器将像传统的飞机，以单级水平起飞、进入轨道、返回和水平降落在跑道上，在大气层和外层空间中灵活地飞翔，并能承受返回大气层时的苛刻气动热／力载荷，两次飞行之间只需加注燃料并进行简单的维护。轻质结构和高效防热材料是实现空天飞行器设计理念的基石。空天飞行器面临的恶劣、复杂热／力耦合环境又给“防热”带来新的挑战，要求在热防护、热结构和热管理上研究新的方法，寻求新的技术途径。高温固体力学是实现空天飞行器热防护系统设计、优化、可靠应用的关键基础科学问题。 轻质化是所有空天飞行器的永恒主题，满足超常服役条件或特殊需求是飞行器材料与结构的主要特征，当前新型飞行器的发展需要更高性能、效率与可靠性的新材料和新结构，新材料的研发周期与急迫的需求矛盾突出，须重点关注材料设计、结构轻量化、多功能化、抗极端化、低成本化带来的一系列问题和挑战。 高温结构材料强度直接影响飞行器的结构效率与可靠性，以安全系数和裕度形式覆盖客观存在的不确定性对减少结构冗余影响很大，现有测试、表征和评价手段不能准确反映材料与结构的有效性质和使用性能，特殊环境或特殊要求导致超出原有理论方法的适用条件，理论模型与实际物理模型相差较大，缺乏关键参数和验证，预报精度难以满足要求，亟须发展和完善设计、建模、分析、评价的理论、方法和手段。 在大幅度减少系统重量的同时，不断增强性能和功能，也就是提高“比性能”，是新型飞行器发展的共性需求。复合材料作为材料大家族中的重要成员，由于其物理的科学复合性与可设计性，可以满足飞行器结构轻量化和高温、超高温的需求。先进复合材料用量和水平已经成为飞行器先进性的重要标志，新一代复合材料具有多尺度和超混杂组元以及可剪裁性能和多功能属性，有较大幅度提升的综合性能。发展基于需求*优性能的自下而上纳米尺度材料设计方法，研究大幅度缩短研发周期和降低成本的技术手段，可有效解决当前“综合效费比不高”的关键问题。通过设计可以耦合更多结构和功能的材料实现系统减重，需要关注*小化外部介入可感知、诊断和响应功能的材料与系统，形状、功能和力学性能按需改变功能的材料与系统，能量获取、存储、传送与结构一体化功能的材料与系统。 空天飞行器在服役过程中会承受或产生许多种超常环境载荷，且相互耦合引起强烈的非线性效应，无论是其认知手段，还是理论方法上都存在很大的局限性，建立有效的等效模拟手段，揭示相互作用机制，表征控制要素，才能实现优化设计和科学评价，从关注极端环境下的力学行为，到强化认知环境及其与材料的耦合作用机制，实现从被动到主动的跨越。结构是主观设计与客观材料的结合，探索超混杂结构、折叠展开结构、主动变形结构、索系结构、多功能系统等创新概念，更好发挥先进材料技术红利，产生新功效。 1.4高温固体力学发展面临的挑战 1.4.1材料高温性能测试与表征技术的局限性 虽然国内外已经具备可至3000℃以上的材料高温力学性能测试技术，但无论是从测试方法和还是测试能力上，仍难以满足未来新型空天飞行器，特别是高超声速飞行器的发展需求。目前采用包括电阻辐射、红外辐射、感应耦合、直接通电、激光等多种手段，与实际服役工况相比，在材料热响应历程、热响应分布、响应机制上都存在很大的局限性，天地或空地一致性和有效性需要进一步研究与验证；鉴于测试能力和成本限制，尺寸效应和失效机制的影响还难以把握；许多高温材料的工艺特点决定其组分性能具有强烈的“就位性能”特征，难以用原材料进行测试和表征，组分材料的高温性能测试技术亟待发展；如薄壁材料厚度性能、高脆性材料泊松比、低膨胀材料热膨胀系数等常温条件下难测的性能，如何获取高温性能更具挑战；同时高温动态特性、高温复杂应力材料性能也亟须发展有效的方法；一些非传统材料和结构概念，如高温梯度材料、点阵结构等如何测试和表征其高温行为尚无解决的方法。 1.4.2高温材料体系的复杂性 与传统高温材料要求不同，新型空天飞行器要求服役于极端环境下的材料和结构兼具耐热、防热、隔热、承载等多重功能属性，复合化、陶瓷化成为发展趋势。就目前研究热点来看，超高温陶瓷材料在耐高温、抗氧化能力上虽有巨大潜力，但韧性较差的问题依然困扰着其进一步发展，通过复合化进一步提高其力学性能。以C／C、 C／SiC、 SiC／SiC以及超高温陶瓷基复合材料为代表的热结构复合材料其“陶瓷”属性和工艺特性决定了内部含有大量的初始缺陷，材料性能表现出很大的分散性，且与工艺密切相关；为轻质化发展起来的新一代防隔热一体化复合材料，多采用纤维增强多孔材料的途径降低密度，采取涂层或组合形式提升综合性能。这些