杜善義:高溫固體力學(xué)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)及建議
“熱”是自然界最為普遍且到目前為止最難認(rèn)知和把握的現(xiàn)象之一,也是人類征服自然、改造世界最為重要的工具之一。高溫會(huì)對(duì)材料力學(xué)行為產(chǎn)生嚴(yán)重影響,并可能與復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)相互耦合。高溫固體力學(xué)主要研究在高溫作用下可變形固體介質(zhì)及結(jié)構(gòu)的受力、變形、失效以及相關(guān)變化和效應(yīng)。航空航天技術(shù)的需求是高溫固體力學(xué)發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力。
空天飛行器技術(shù)作為綜合性高新技術(shù),是人類探索、開(kāi)發(fā)和利用空間資源的有效手段,幾十年來(lái)的發(fā)展和應(yīng)用已經(jīng)且將繼續(xù)對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)、國(guó)防、科學(xué)技術(shù)及人類生活產(chǎn)生巨大影響,也是帶動(dòng)綜合國(guó)力提升的牽動(dòng)性技術(shù)。發(fā)展空天飛行器,主要目的是不斷提高人類“進(jìn)入空間”“控制空間”和“利用空間”的能力。更高速度飛行是飛行器發(fā)展的永恒主題。高超聲速飛行與高超聲速飛行器是空天飛行器的重要發(fā)展領(lǐng)域,也是我國(guó)從航天大國(guó)邁向航天強(qiáng)國(guó)的重要標(biāo)志之一。
空天飛行器再入大氣層的高超聲速飛行,特別是大氣層內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間飛行的高超聲速飛行器,必然會(huì)經(jīng)受極端熱環(huán)境,這種熱障問(wèn)題是其成敗的關(guān)鍵。特別是高超聲速飛行器在大氣層內(nèi)超高速、超高溫、長(zhǎng)時(shí)間飛行,熱環(huán)境更為嚴(yán)酷。長(zhǎng)時(shí)間的氣動(dòng)加熱使得飛行器的頭部和翼緣等部位的表面溫度超過(guò)2 000℃,同時(shí)為保持氣動(dòng)外形,這些部位外表面不允許產(chǎn)生明顯燒蝕。如何耐受高溫并保證近零燒蝕和抗氧化,對(duì)熱防護(hù)材料而言極具挑戰(zhàn)。“輕”是空天飛行器追求的永恒主題。空天飛行器作為一種在特殊環(huán)境下飛行的升力體,對(duì)結(jié)構(gòu)重量系數(shù)的要求更為強(qiáng)烈,結(jié)構(gòu)重量系數(shù)必須足夠小,才能保證有效載荷的比例,保證航行距離,所以必須采取既耐高溫又輕質(zhì)的新材料和結(jié)構(gòu)。

高溫固體力學(xué)是錢學(xué)森先生60 多年前提出的力學(xué)分支。高溫固體力學(xué)作為研究高溫作用下固體介質(zhì)及結(jié)構(gòu)受力、變形、破壞以及相關(guān)變化與效應(yīng)的一門學(xué)科,是實(shí)現(xiàn)空天飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、優(yōu)化、可靠應(yīng)用的關(guān)鍵基礎(chǔ)科學(xué),充分認(rèn)知極端熱和熱力耦合環(huán)境特征、材料和結(jié)構(gòu)的性質(zhì)、性能以及材料和環(huán)境耦合作用機(jī)制,建立科學(xué)預(yù)測(cè)模型和分析方法,是實(shí)現(xiàn)科學(xué)與優(yōu)化設(shè)計(jì)的前提。高溫固體力學(xué)作為航空航天科學(xué)技術(shù)最重要的基礎(chǔ)和支撐學(xué)科之一,在學(xué)科發(fā)展和工程應(yīng)用的“雙力驅(qū)動(dòng)”下快速發(fā)展,不斷提升理論模型的描述和預(yù)測(cè)能力,積極謀求與其他學(xué)科進(jìn)行交叉創(chuàng)新,突破和解決這些問(wèn)題,才能適應(yīng)新時(shí)代航空航天技術(shù)的發(fā)展特點(diǎn)與趨勢(shì)。
高溫固體力學(xué)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)
▍材料高溫性能測(cè)試與表征技術(shù)的局限性
雖然國(guó)內(nèi)外已經(jīng)具備可至3 000℃以上的材料高溫力學(xué)性能測(cè)試技術(shù),但無(wú)論是從測(cè)試方法和還是測(cè)試能力上,仍難以滿足未來(lái)新型空天飛行器,特別是高超聲速飛行器的發(fā)展需求。目前采用包括電阻輻射、紅外輻射、感應(yīng)耦合、直接通電、激光等多種手段,與實(shí)際服役工況相比,在材料熱響應(yīng)歷程、熱響應(yīng)分布、響應(yīng)機(jī)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進(jìn)一步研究與驗(yàn)證;鑒于測(cè)試能力和成本限制,尺寸效應(yīng)和失效機(jī)制的影響還難以把握;許多高溫材料的工藝特點(diǎn)決定其組分性能具有強(qiáng)烈的“就位性能”特征,難以用原材料進(jìn)行測(cè)試和表征,組分材料的高溫性能測(cè)試技術(shù)亟待發(fā)展;如薄壁材料厚度方向性能、高脆性材料泊松比、低膨脹材料熱膨脹系數(shù)等常溫條件下難測(cè)的性能,如何獲取高溫性能更具挑戰(zhàn);同時(shí)高溫動(dòng)態(tài)特性、高溫復(fù)雜應(yīng)力材料性能也亟須發(fā)展有效的方法;一些非傳統(tǒng)材料和結(jié)構(gòu)概念,如高溫梯度材料、點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)等如何測(cè)試和表征其高溫行為尚無(wú)解決的方法。

▲ 材料超高溫力學(xué)性能測(cè)試系統(tǒng)
哈爾濱工業(yè)大學(xué)的材料超高溫力學(xué)性能測(cè)試系統(tǒng)主要由DDL50 型電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)、超高溫真空(充氣)環(huán)境艙、測(cè)控系統(tǒng)、程控電源、金屬水冷夾具和高強(qiáng)C/ C復(fù)合材料加載塊等組成。該系統(tǒng)采用通電電阻加熱技術(shù),最高加熱溫度為3 000℃,控溫精度不小于試驗(yàn)溫度的0.5%,試驗(yàn)環(huán)境為真空或惰性氣體環(huán)境;最大試驗(yàn)載荷為50 kN,力測(cè)量精度:在力傳感器容量的0.4% ~100%范圍內(nèi)示值的±0.5%?
▍高溫材料體系的復(fù)雜性
與傳統(tǒng)高溫材料要求不同,新型空天飛行器要求服役于極端環(huán)境下的材料和結(jié)構(gòu)兼具耐熱、防熱、隔熱、承載等多重功能屬性,復(fù)合化、陶瓷化成為發(fā)展趨勢(shì)。就目前研究熱點(diǎn)來(lái)看,超高溫陶瓷材料在耐高溫、抗氧化能力上雖有巨大潛力,但韌性較差的問(wèn)題依然困擾著其進(jìn)一步發(fā)展,通過(guò)復(fù)合化進(jìn)一步提高其力學(xué)性能。以C/ C、C/ SiC、SiC/ SiC以及超高溫陶瓷基復(fù)合材料為代表的熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料其“陶瓷”屬性和工藝特性決定了內(nèi)部含有大量的初始缺陷,材料性能表現(xiàn)出很大的分散性,且與工藝密切相關(guān);為輕質(zhì)化發(fā)展起來(lái)的新一代防隔熱一體化復(fù)合材料,多采用纖維增強(qiáng)多孔材料的途徑降低密度,采取涂層或組合形式提升綜合性能。這些研究對(duì)象材料組合和微結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化,給發(fā)展測(cè)試表征方法、建立分析模型、實(shí)現(xiàn)定量化預(yù)報(bào)、獲取優(yōu)化方案等力學(xué)理論和方法提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
飛行器設(shè)計(jì)要求采用成熟的材料體系,成熟的標(biāo)志是具有“A 或B 基準(zhǔn)”設(shè)計(jì)性能數(shù)據(jù)庫(kù)或經(jīng)“同行評(píng)審”的設(shè)計(jì)許用值數(shù)據(jù)庫(kù),而針對(duì)熱防護(hù)和熱結(jié)構(gòu)材料要求又不盡相同。高溫陶瓷基和碳基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)體系與工藝過(guò)程極為復(fù)雜,性能分析與表征十分困難。如何確定其性能,美國(guó)MIL HDBK 17 初步給出了確定A 和B 基準(zhǔn)許用值材料批次數(shù)量和每批次試樣數(shù)量,但仍存在多項(xiàng)內(nèi)容空缺,待后續(xù)完善。我國(guó)在此方面尚缺乏系統(tǒng)性的研究工作。
▍高溫本構(gòu)關(guān)系與強(qiáng)度理論的挑戰(zhàn)性
早在20 世紀(jì)50 年代,人們就能夠獲取關(guān)鍵耐高溫材料的高溫力學(xué)性能,現(xiàn)已將測(cè)試溫度拓展到3 000℃以上,材料高溫力學(xué)行為表現(xiàn)出強(qiáng)烈的非線性,甚至高溫蠕變行為,但現(xiàn)在還只能從宏觀唯象上描述其本構(gòu)關(guān)系,尤其是高溫?fù)p傷演化對(duì)新型高溫復(fù)合材料本構(gòu)行為帶來(lái)的影響更需進(jìn)一步研究。“溫度”+“強(qiáng)度”成為固體力學(xué)最大的挑戰(zhàn)之一,尤其是高溫復(fù)合材料在復(fù)雜載荷條件下表現(xiàn)出來(lái)的多重失效模式更是難上加難,在現(xiàn)有工程設(shè)計(jì)中經(jīng)常采取的是常溫試驗(yàn)獲得的簡(jiǎn)單二向強(qiáng)度準(zhǔn)則和一些有限的高溫試驗(yàn)結(jié)果,但由于復(fù)合材料微細(xì)觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,在復(fù)雜載荷條件下表現(xiàn)出不同的破壞模式,雖加大安全系數(shù),仍難保可靠性,且降低了結(jié)構(gòu)效率,亟須基礎(chǔ)研究的突破,研究基于不同失效機(jī)制、分象限擬合的強(qiáng)度包絡(luò)線,或建立強(qiáng)度理論。當(dāng)前發(fā)展的基于漸進(jìn)損傷分析的虛擬試驗(yàn)技術(shù),有希望成為描述復(fù)雜高溫材料本構(gòu)關(guān)系和強(qiáng)度準(zhǔn)則最為有效的技術(shù)途徑。
▍材料高溫力學(xué)行為研究的多學(xué)科性
傳統(tǒng)高溫固體力學(xué)研究方法,重點(diǎn)在于熱載荷對(duì)材料力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)行為的影響,必須發(fā)展力/ 熱耦合作用下的相關(guān)理論和方法。而對(duì)于服役于高溫環(huán)境下的材料或結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō),材料表面與多種環(huán)境因素相互耦合,產(chǎn)生復(fù)雜的物理、化學(xué)變化及效應(yīng),同時(shí)隨著服役溫度和時(shí)間的增加,材料內(nèi)部缺陷、損傷的演化也會(huì)由不同時(shí)空尺度上的物理化學(xué)變化所決定。如高超聲速飛行引起的高焓非平衡流動(dòng)與高溫材料表面作用機(jī)制復(fù)雜,材料響應(yīng)溫度既與熱流、壓力、焓值等環(huán)境參數(shù)直接關(guān)聯(lián),又與材料氧化、催化和輻射特性密切相關(guān),材料發(fā)生氧化、燒蝕、剝蝕、物性和組分改變,引起材料物性、表面狀態(tài)改變及質(zhì)量引射等效應(yīng),又會(huì)導(dǎo)致環(huán)境的流動(dòng)狀態(tài)、能量、組分及分布的改變。因此,高溫固體力學(xué)需要進(jìn)一步打破學(xué)科界限,與材料、物理、化學(xué)等學(xué)科進(jìn)行深度交叉與融合,才能達(dá)到發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象本質(zhì),揭示機(jī)理,把握規(guī)律的目的。
高溫固體力學(xué)發(fā)展建議
高溫固體力學(xué)是一個(gè)具有戰(zhàn)略意義和需求顯著的研究方向,挑戰(zhàn)大、難度高,這些科學(xué)問(wèn)題如果得不到解決,將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計(jì)、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和研制中存在很大的盲目性,引起較大的結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn),對(duì)安全、可靠服役產(chǎn)生致命性的影響,或由于過(guò)于保守引起結(jié)構(gòu)效率和性能下降,需要從國(guó)家層面給予重點(diǎn)關(guān)注和長(zhǎng)期、穩(wěn)定的支持。
未來(lái)發(fā)展建議:
▍充分認(rèn)識(shí)我國(guó)在高溫固體力學(xué)研究方面的不足和缺口,利用已有相關(guān)研究?jī)?yōu)勢(shì)單位,重點(diǎn)投入,建設(shè)系統(tǒng)的國(guó)家級(jí)高溫試驗(yàn)設(shè)施,發(fā)展逐漸成熟的數(shù)值模擬方法和軟件,鼓勵(lì)更多學(xué)者積極探索與此相關(guān)的新理論、新方法和新技術(shù),同時(shí)避免碎片化、同質(zhì)化和低水平重復(fù)。
▍高溫固體力學(xué)具有明確而極為重要的需求背景和艱巨的學(xué)科挑戰(zhàn)特征,積極促進(jìn)力學(xué)本身內(nèi)部及與其他學(xué)科的深層次交叉,充分發(fā)揮力學(xué)“建模、試驗(yàn)、定量化預(yù)報(bào)”的優(yōu)勢(shì);同時(shí)更需要加強(qiáng)產(chǎn)、學(xué)、研大力協(xié)同和聯(lián)合,將知識(shí)創(chuàng)新有機(jī)融入技術(shù)創(chuàng)新體系,在實(shí)踐中不斷檢驗(yàn)和完善新理論、新方法和新技術(shù)。
▍結(jié)合國(guó)內(nèi)外發(fā)展態(tài)勢(shì)和新型飛行器的發(fā)展需求,建議未來(lái)重點(diǎn)發(fā)展如下研究方向:
發(fā)展創(chuàng)新性高溫測(cè)試方法,并高度重視與極端、原位、全場(chǎng)、內(nèi)部、在線試驗(yàn)和表征技術(shù)相結(jié)合,以獲取更加豐富的信息;
充分借助先進(jìn)的試驗(yàn)和數(shù)值技術(shù),發(fā)展能夠描述高溫本構(gòu)和失效行為的“多場(chǎng)、多尺度”建模、分析和優(yōu)化方法,強(qiáng)調(diào)模型的試驗(yàn)驗(yàn)證,不斷提高預(yù)報(bào)方法的置信度和精度;
加強(qiáng)與高溫材料和服役環(huán)境相關(guān)的不確定性定量化方法研究,發(fā)展材料概率壽命預(yù)測(cè)和損傷容限分析方法;
把材料高溫行為的理解集成到結(jié)構(gòu)尺度模擬中,實(shí)現(xiàn)基于非確定性框架下的結(jié)構(gòu)尺度高置信度失效模擬;
促進(jìn)多學(xué)科交叉,與“高溫物理效應(yīng)”和“計(jì)算材料學(xué)”結(jié)合,創(chuàng)制和優(yōu)化新型熱防護(hù)和熱結(jié)構(gòu)概念。
本文摘編自《高溫固體力學(xué)》(杜善義著. 北京:科學(xué)出版社,2021.12)一書“第1章 緒論”“前言”,有刪減,標(biāo)題為編者所加。
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(本文編輯:劉四旦)



