微资讯｜审查测试方法，为高温结构应用中的材料选择提供依据

学术 2024-10-17 14:04 陕西

[摘要] 要应对先进应用中恶劣环境带来的巨大挑战，谨慎选择材料至关重要。陶瓷基复合材料（CMC）已经成为许多热结构应用的首要考虑对象，在这些应用中，环境耐受性需要与高温（1200°C以上）下的结构稳定性相结合。在了解材料变化如何带来独特的材料和设计挑战，从而影响特定应用的最终性能方面，还存在许多差距。需要在相关温度下对各种候选材料进行必要的材料测试，以建立材料选择的分析方法。该综述讨论了机械和环境测试方法及其在高温下的应用，包括拉伸测试、弯曲测试、寿命测试方法、层间测试和环境相关测试。并讨论了高温条件下对CMC进行这些测试所面临的挑战。文献综述提供了最先进的测试实例，并讨论了前期工作的测试结果和改进方向。该综述旨在概述当前高温测试的能力和实践，推荐开展高温测试的最佳方法、在更广泛的领域内解释并共享研究结果和实验数据，以扩充CMC材料特性数据库。

一、拉伸测试总结

应该强调进行高温拉伸试验的复杂性。在计划开展试验时需要考虑众多因素，其中以下因素尤为重要：

∙ 试样的几何形状和夹具

∙ 精确测量应变

∙ 加热装置和设备

∙ 环境控制

每个因素都考虑了不同的测试需求及其影响。由于其中许多测试条件可能会对结果属性计算产生重大影响，因此必须对这些因素进行仔细考虑并认真记录，以评估条件设置对实验结果的影响。尽管困难重重，但必须对各种材料进行高温拉伸试验，因为这对工程技术进步所需的数据驱动材料设计决策至关重要。因此，必须努力减少收集和传播高质量材料数据的障碍。本文通过介绍在制定高温测试方案时必须积极应对的许多决策，旨在减少高温拉伸测试方面的困难。

另一个障碍是，由于专利保护以及维持企业和国家优势的需要，所进行的大部分测试都不对公众开放。这一障碍将继续存在，因此必须采取措施，确保可以更大范围地共享数据，即使数量不多，质量也很高。对高质量数据的要求，包括元数据的收集和报告，例如在设计和开展这些拉伸测试时所涉及的许多材料遴选条件。使用这些数据，可实现对现有结果和新生成的数据进行比较。通过创建和共享这些高质量的材料数据，我们可以做出明智的材料设计决策，并降低材料开发的成本，因为不同的设计人员无需重复相同的测试。

拉伸测试数据还应辅之以其他测试方法的高质量测试数据，例如后续将讨论的弯曲测试。以上讨论的许多高温测试注意事项也适用于其他高温材料测试方法。下文将讨论使用其他方法生成高质量数据时必须注意的相关问题。接下来将讨论挠曲测试（也称弯曲测试），因为挠曲测试的频率很高，而且测试结果与拉伸结果具有互补性。

二、弯曲测试总结

挠曲测试对于了解高温CMC在弯曲条件下的性能至关重要。这种测试方法对材料的对比和选择过程也很有价值。挠曲测试具有样品相对较小、几何形状简单和测试操作简便等优点。只要遵守测试标准和指导原则，即可对CMC进行测试。特别是，合适的设备设施和应变测量途径对于获得能够代表CMC的挠曲性能是至关重要的，同时对材料的选择也是有价值的。然而，在将此方法广泛应用于CMC之前，还有许多工作要做。首先需要完成有关CMC对这种加载机制的响应特性的其他研究，以便更有效地利用这种测试来了解材料对不同加载方案的响应。例如，还需要额外的标准，以便为如何比较在不同测试设备下收集的实验结果提供指导。许多问题仍然存在，例如试件几何尺寸对性能的影响有多大？哪些因素必须保持不变，哪些因素可以改变而不影响对目标材料性能的测试能力？通过细致的结果分析与报告，包括一致的测试参数和条件，有望使得挠曲测试更适用于CMC领域并且取得很大进展。

三、寿命测试总结

寿命测试对于了解材料在整个使用寿命周期内的演变至关重要。充分了解测试结果以及导致失效的因素，对于在实际应用中能否采用先进CMC材料具有切实意义。然而，在将这些重要测试（疲劳、蠕变以及疲劳-蠕变）作为材料测试矩阵的一部分时，专业人员必须考虑许多因素。其中一个考虑因素是必须专门用于寿命测试的试样数量。CMC在疲劳和蠕变测试结果中表现出很大的分散性。在高温和与应用相关的环境中进行测试，会产生额外的散射源。因此，要充分描述材料的行为，必须对大量试样进行测试，以获得相关结果。材料测试矩阵规划的另一个考虑因素是所选温度、应力水平和加载速率的具体值。这些数值与材料密切相关，对测试结果有很大影响。因此，应注意为具体试验选择适当的参数。同样，要了解测试结果并将其与其他材料的测试结果进行比较，就必须全面了解测试中的环境条件。此外，应仔细记录和报告具体的环境条件，以便准确解释结果。如果测试的目的是接近特定应用中的行为，则必须确定适用的环境类型。正如人们所知，环境变化对CMC寿命特性有很大影响。

到目前为止，我们已经介绍了单轴拉伸、弯曲和寿命测试。还有许多测试可提供相关的材料特性信息，并显示CMC在特定环境中的性能。层间测试是对CMC尤为重要的一类测试，用于研究材料在面外方向的特性。

四、层间测试总结

确定CMC的层间性能对于预测和了解材料在应用中的行为至关重要。对于许多CMC来说，面外的性能远远低于平面内的性能。因此，如果将材料视为各向同性材料，就会大大高估CMC的行为能力。因此，通过适用的测试（尤其是高温测试）确定CMC的层间性能至关重要。然而，对CMC进行高温测试存在许多障碍。在室温下使用的层间剪切性能测试方法无法适应足够高的温度，提出的替代方法也尚未得到广泛认可。在层间剪切中，有四种方法有可能在高温下使用。到目前为止，对于在高温下测试CMC层间特性的最佳方法还没有达成共识。在国际公认的测试机构（如美国材料与试验协会ASTM）将测试协议标准化之前，还需要进行更多的研究来验证CMC的各种测试方法。

五、模拟服役环境测试总结

环境试验提供有针对性的信息，有助于了解材料在特定环境中的性能。不过，用户应确保了解每项测试的目的和限制。除非在所需环境中使用材料，如飞行测试，否则任何测试都无法完全模拟应用的每个部分。工程师的工作是确定每次试验的结果与所需应用在温度、速度、化学成分和特定试验中可能产生的任何其他影响方面的关系。可以选择特殊测试来隔离特定的影响，如激光烧蚀测试，也可以选择包含多种相关因素的测试，如台架测试。无论选择哪种试验或哪一系列试验，都应从部分模拟应用环境的角度来分析试验结果。为了将这些测试结果与材料在特定环境中的性能预测联系起来，需要开发并严格验证稳健的模型。这项工作需要模型建立者和实验人员密切合作，以便更好地进行有针对性的测试，同时考虑到各种测试的成本和适用性等限制因素。具有环境代表性的试验可以成为了解环境对材料影响的有力工具，并可用于开发性能预测模型。

[研究总结]

本综述讨论了可用于CMC的各种高温测试方法，以确定其是否适合广泛应用。掌握高保真材料信息对于做出明智的材料决策以及将概念从设计转化为产品至关重要。对于先进的高温CMC而言，此类信息十分有限。要制定收集这些关键信息的测试计划，研究人员必须仔细考虑多种不同的测试类型以及从每种测试中可获得的信息。本综述介绍了收集高温CMC材料数据最常用的几种测试方法。对于每种测试，都考虑了设备需求和关注点，重点是高温测试的特殊考虑因素。此外，还审查了文献中的现有结果，以研究先进CMC的预期趋势。本综述审查了单轴拉伸测试、弯曲测试、使用寿命测试、层间测试和环境相关测试，因为它们都与了解CMC性能密切相关。拉伸测试部分强调了可用于高温单轴拉伸测试的各种设备配置，以及这些选择如何影响材料性能计算。此外，还强调了准确和详细报道实验参数的重要性。挠曲测试部分强调了了解弯曲设备和几何形状如何影响挠曲试验结果的必要性。前两部分涵盖了影响寿命试验的许多问题，但寿命测试部分讨论了因时间尺度长而产生的额外考虑因素。对寿命测试尤为重要的考虑因素包括试样数量，以便充分了解材料的变化、速率和负载水平的选择以及环境影响。所有这些都是小尺寸尺度上的考虑因素，但在大尺寸尺度上，它们对结果的影响变得更加明显。对于层间测试，由于在高温下测试存在困难，因此缺乏领域认可的CMC高温测试方法。因此，由于缺乏相关信息，这些重要特性往往被忽视。最后，讨论的环境相关测试挑战主要集中在测试的选择和结果的解释上。环境测试由于能够模仿部分应用环境而具有多样性。环境的哪一部分最重要，决定了环境测试的选择。由于这些测试并不能代表整个应用环境，因此应该对这些测试的结果进行解释。鉴于此，测试结果并不能完全反映材料在实际应用环境中的响应。通过调查高温测试所涉及的各种选择和障碍，本综述试图使得高温测试方法更容易被CMC领域所接受。利用这些信息，未来的研究人员将能有效地规划和执行测试方案，从而在高温下获得高保真的材料特性信息。这些数据一旦生成，就可用于各种高温应用的材料设计决策。

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