基于热物理参数的梯度材料设计原则

123456aa · 发表于 2022-4-13 12:41:23

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梯度材料具有均质复合材料无法比拟的优点，通过将金属、陶瓷、塑料等不同有机和无机物质的巧妙结合，可以满足航天、国防等高新技术领域对材料提出的苛刻要求，在许多工程领域都有广阔的应用前景。然而梯度材料固有的力学性能和热物理性能的不均匀性，必然导致材料在温度变化时由于各组成部分膨胀不均匀而彼此相互约束产生热应力，造成材料的整体性能下降甚至失效，同时也给材料设计带来了很大的困难。因而，以热应力缓和为目的的梯度材料优化设计显得十分必要。本文首先采用有限元法计算了梯度层组成相为不同长径比的梯度材料热应力，发现组成相形态对梯度材料Mises热应力有明显的影响，最大Mises等效热应力随梯度层中组成相长径比l/d的增大而增大，但当l/d大于一特定值时，最大Mises等效热应力增加趋势减缓并逐渐趋于恒定。从热物理参数角度分析了梯度层组成相形态、梯度层层数和成分分布指数三个因素对热应力的影响规律，表明三个因素对梯度材料最大热应力优化作用的实质在于均匀减小材料层间弹性模量差值ΔE和线膨胀系数差值Δα。采用正交分析的方法，以准确的数量估计证明了梯度层厚度、梯度层体积分数和梯度层中组成相长径比三个热应力影响因素的作用，以梯度层厚度最为显著，次之为梯度层体积分数，而梯度层组成相长径比相对较小。根据以上分析，提出如下梯度材料设计原则：1）在工艺条件的允许下，应选择尽量多的梯度层层数或者使梯度成分呈连续变化；2）根据材料的力学性能和尺寸要求，选择尽量厚的梯度层厚度；3）在梯度层厚度和层数确定的条件下，设计梯度层成分分布指数使各层间线膨胀系数差值Δα和弹性模量差值ΔE尽量接近；4）在符合材料力学性能要求下，选择尽量小的梯度层组成相长径比。

基于热物理参数的梯度材料设计原则

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