高温烧蚀双轴拉伸耦合加载装置设计分析与试验研究.pdf

摘要

热防护材料作为一种战略性结构材料，因其优异的高温力学性能，被广泛

应用于航空航天和国防领域的高精尖装备中，材料的服役环境不仅包括极端高

温，往往还伴随着复杂机械载荷的综合作用，探索并揭示热防护材料在极端复

杂服役环境中的力学性能变化和损伤失效机理对其应用和发展具有重要意义。

长期以来，国内外的环境性能测试基本是以空气、真空或惰性保护气氛下

的高温性能代替真实服役环境性能，这与材料真实的服役工况间存在较大差

距，不足以完全模拟材料受到的氧化损伤和复杂载荷作用，将导致测试结果缺

乏真实性，而进行完全等同于实际工况的全环境因素测试，成本高昂，耗资巨

大。因此，发展材料在接近真实服役环境的性能模拟测试技术，明确材料在服

役环境中的性能及演变规律十分迫切，本文针对热防护材料同时受到烧蚀和复

杂机械载荷耦合作用的服役工况，设计搭建了可同时对材料进行高温火焰烧蚀

与双轴拉伸载荷耦合加载的试验装置，为掌握热防护材料在接近复杂服役环境

下的性能试验提供了方法。

本文首先对碳/碳（C/C）复合材料进行了单轴拉伸试验，获得了材料的基

本力学参数，根据双轴载荷加载平台的工作范围确定了试件基本尺寸，通过有

限元软件对双轴碳/碳复合材料的形状尺寸进行了设计优化，分析了两种不同的

过渡形式及试件减薄区厚度对试件的影响，最终得到了优化后的试件参数组

合。针对碳/碳复合材料各向异性的特点，使用COMSOL软件构建了材料的三

维结构模型并对在外加热源作用下的材料温度场分布进行了模拟。

其次对高温火焰烧蚀下的双轴试件夹持方案进行了设计，夹具通过楔面对

试件加载，夹具内部设计了水冷流道用于冷却，利用有限元软件对夹具的力学

强度和高温加载下的温度分布进行了模拟，结果表明夹具的力学性能和散热能

力满足设计要求。设计并建立了高温火焰烧蚀与双轴拉伸载荷耦合加载的试验

装置，主要包括高温火焰烧蚀模块、双轴载荷加载平台、基于DIC技术的应变

测量系统和多维温度测量模块，通过优化空间布局，降低了各加载和测量系统

间的相互影响，设计了水卡量热计的结构，并利用有限元软件对流场和温度场

进行了分析，通过水卡量热计测量了氧乙炔火焰的热流密度，使用热外热像仪

对火焰的温度场分布进行了测量，获得了火焰烧蚀模块的性能参数。

I

开展了1500℃下高温火焰烧蚀和双轴拉伸耦合加载试验，通过DIC应变测

量系统和红外热像仪等同步获取了试件中心区域的应变和温度场等信息，绘制

了材料的应力应变曲线。同时开展了1500℃下真空高温和双轴拉伸耦合加载的

对比试验，试验表明火焰烧蚀和双轴拉伸耦合加载的试件抗拉强度为

59.3MPa，与常温单轴拉伸相比强度下降约19.9%，真空高温与双轴拉伸耦合加

载的试件抗拉强度为117.2MPa，与常温单轴拉伸强度相比则提高约49.9%，相

比于真空高温环境，火焰烧蚀耦合加载试验的材料抗拉强度降低约46.6%。利

用激光共聚焦显微镜、SEM及EDS对火焰烧蚀耦合、真空高温耦合加载下的破

坏试件进行了表征和分析，材料的线烧蚀率和体积烧蚀率分别为0.0273mm/s和

0.0287g/s，SEM发现火焰烧蚀耦合加载后的试件表面出现沟槽和氧化物并伴有

基体消失、纤维尖化及包鞘结构的明显特征，分析了两种试验条件下微观结构

的形成原因，并对其宏观力学性能做了解释。

关键词：

高温力学性能测试，C/C复合材料，复杂载荷，火焰烧蚀，耦合加载

II

Abstract

Asastrategicstructuralmaterial,thermalprotectionmaterialsarewidelyusedin

high-precisionequipmentinthefieldofaerospaceanddefensebecauseoftheir

excellenthightemperaturemechanicalproperties,andtheserviceenvironmentofthe

materialsnotonly