1.4.2 抗热震性能

材料的抗热震性指材料在温度剧变情况下抵抗热冲击的能力。材料热震失效可分为两大类: 一类是瞬时断裂，称为热震断裂；另一类是在热冲击循环作用下，材料先出现开裂、剥落，然后碎裂和变质，终至整体破坏，称为热震损伤[14，39]。

抗热震断裂是根据热弹性理论，并以材料的力学和热学性能参数加以表征。对急剧受热或冷却的陶瓷材料，若温差ΔT引起热应力达到陶瓷材料断裂强度，则热震断裂发生。

热震损伤理论是基于断裂力学理论而提出的，以热弹性应变能W和材料的断裂能U之间的平衡条件作为热震损伤的判据，即

W≥U

当热应力导致的储存于材料中的应变能W足以满足裂纹成核和扩展而新生表面所得的能量U时，裂纹就形核并扩展[40~41]。

对于梯度结构材料，由于其结构的特殊性，其抗热震性能表现出不一样的特性，计算模型也有所不同。相关研究认为，梯度结构材料的内热应力及评估其在热冲击下的抵抗力非常重要[42~43]。一种方法是使用热弹性理论对其性能进行评估。这种方法要求在材料体中，没有任何预制裂纹。选择材料的性能避免在热震开始时产生断裂。总的来说，要求材料有高的抗拉强度，高的热导性，高的热扩散性，低的热膨胀系数，低的杨氏模量和泊松比。另一种方法认为梯度结构材料抗热震性能与热应力和裂纹的扩展相关，涉及两种不同的边界问题的求解。前者属于经典热导理论的范畴，后者是固体材料在不均匀应力场下的断裂问题。这是一个很复杂的断裂分析，裂纹的扩展涉及到瞬时应力，而应力强度因子(SIF)是裂纹尺寸、相应热传导和热弹性系数的函数。

由于数学上的困难，梯度结构材料断裂时的瞬时热效应(transient thermal effects)并没有受到人们的关注。一般认为材料在瞬时热应力的作用下的强度取决于材料的热膨胀系数、热导性、热扩散性、断裂韧性、抗拉强度和弹性性能等。对于梯度结构材料，材料不均匀性因子，如梯度指数，也能够显著地影响材料的瞬时热应力和热断裂。梯度结构材料抗热震断裂的理论计算包括初始热应力断裂、裂纹继续扩展的条件。有研究者将有限元方法和有限差分方法联合起来求解决定瞬时温度分布的时间依赖方程。假设材料在最大热震条件下放置而不发生破坏，计算两种条件下梯度结构材料的抗热震性能: 一是材料的某处的最大拉应力等于材料抗拉强度；二是预制裂纹的最大SIF等于材料的断裂韧性。

根据抗拉强度建立的抗热震性能的理论模型，如图1-21所示。

图1-21 抗热震性能的理想模型