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重庆大学在高温固体力学领域取得系列研究进展

日期 : 2018-10-11
摘要
重庆大学航空航天学院李卫国教授在国家自然科学基金重大科研仪器研制专项、重大研究计划、面上,国防973等10余项国家级项目的支持下,历时十余年研究,原创性提出了材料力学性能温度相关性建模思想,创建了高温强度理论,获得了系列原创性科研成果。

在信息化时代,太空是夺取信息优势、加强体系对抗、实施精确打击的主要平台,太空安全已经成为关系到国家利益和长远发展的重大战略问题,对国家政治、经济、科技、社会等发展产生直接重大的影响。其中,具有高速、高机动性、远距离精确打击等功能的高超声速飞行器是近年来许多国家航空航天部门发展的重点领域,也是世界军备竞赛热点之一。高超声速飞行器在使役历程中热防护材料常常面临着复杂多样的热环境,最高温度可达3000℃以上,在这样的极端环境下,什么样的材料才能满足这么苛刻的使役需求,以及其力学行为会发生怎样的变化等问题都一直困扰着科研工作者们。美国、俄罗斯、英国、法国、日本、印度、以色列和我国等国家都在竞相开展相关研究工作。目前,材料高温力学性能测试极其困难、非唯象的理论表征模型缺乏,制约了超高温材料的研制和应用,急需在高温理论和测试技术上取得突破。

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图1 高超音速飞行器飞行历程示意图

 

      致力于攻克材料高温强度理论预测难题,创造性提出温度相关性强度理论

随着现代科技的快速发展,拓展服役条件的需求愈发强烈,极端服役条件下的材料性能成为航空航天、核能、石油化工等领域关注的核心问题。重庆大学航空航天学院李卫国教授在国家自然科学基金重大科研仪器研制专项、重大研究计划、面上,国防973等10余项国家级项目的支持下,历时十余年研究,原创性提出了材料力学性能温度相关性建模思想,创建了高温强度理论,获得了系列原创性科研成果。所提出的建模思想在陶瓷、金属、半导体及高分子等材料的温度相关性物理性能表征上得到很好应用及验证,为航空航天、高端装备等领域关键材料的研制与应用提供了理论支撑。此外,利用此建模思想,通过建立不同超常环境下相对应的其他形式能量间的等效关系,也可拓展应用于超高/低温、热冲击、高热流、强辐照、极高真空、超高压、强磁场、强化学环境、高过载和高应变速率等及其组合更广泛超常环境下材料服役行为的理论表征。

李卫国教授的部分研究成果已被2013年Elsevier出版的《Handbook of Advanced Ceramics》(《先进陶瓷手册》)作为近十年来先进陶瓷领域唯一的高温断裂强度理论表征工作收录。加拿大女王大学Krstic教授认为李卫国教授的研究工作有助于形成统一的脆性材料断裂建模方法,对航空航天和能源领域陶瓷的强韧化做出了重要贡献。部分研究成果发表在国际固体力学领域旗舰期刊J. Mech. Phys. Solids上(见图2和图3),题为“Fracture strength of the particulate-reinforced ultra-high temperature ceramics based on a temperature dependent fracture toughness model”。王自强院士认为李卫国教授创建的材料高温强度理论在新模型、新理论等方面取得了原创性成果,为材料高温强度理论表征开辟了新途径。

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(a)                                  (b)

ZrB2-30%volSiC(a.氧化氛围 b.惰性氛围)温度相关性断裂强度模型预测

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 ZrB2-30%volSiC(惰性氛围)温度相关性临界裂纹尺寸模型预测

 

   面向国家重大需求,打破国外垄断自主研发仪器设备,助力国防航天事业发展

对用于载人航天、深空探测飞行器、弹箭等高超声速飞行器热防护系统及发动机热端部件的超高温材料,在其使役历程中常常面临着复杂多样的热环境。以高超声速导弹为例,其在使役历程中所处空域不同、氧氛围不同,及其为了躲避拦截导弹必须具备的强机动性,特别是在终段也能做强机动飞行,致使其遭受复杂多样的热冲击环境。国家自然科学基金数理科学“十三五”规划战略研究报告明确指出:“研究复杂条件和极端环境中可靠的力学性能检测方法、技术和设备成为实验固体力学在新时期的优先发展方向。”

鉴于以上原因,研制具有我国自主知识产权的能够模拟复杂服役热环境的仪器设备刻不容缓。在此需求背景下,李卫国教授团队自主研制了系列超高温力学性能测试仪器设备。航天一院703所评价其团队所研制的仪器设备:“……该系统在超高温极端环境下测试数据的重复性好……对新型武器装备研发起到支撑作用。”李卫国教授提出了一个可实现复杂热冲击环境的原创性全新概念,并获得了国家自然科学基金重大科研仪器研制专项“复杂热冲击环境下超高温材料抗热冲击性能的高通量测试仪器研制(项目号11727802,总经费1055.65 万元)”的资助,为高温固体力学、实验力学和超高温材料研制等科学研究提供了实验支撑,也为高超声速飞行器试飞强度考核提供了新的评价方法及手段。

团队介绍:李卫国,博士、教授、博士生导师,入选教育部新世纪优秀人才支持计划及重庆大学科研后备拔尖人才“领军人才”培育计划。主要研究领域为材料的高温力学性能、强韧化理论、损伤与断裂力学及本构关系,超高音速飞行器热防护材料及技术,极端环境下材料力学行为测试技术、仪器设备研制及表征方法。作为项目负责人主持国家重大科研仪器研制专项项目1项、国家自然科学基金重大研究计划“近空间飞行器的关键基础科学问题”培育项目1项、国家自然科学基金面上项目3项、国家自然科学基金青年基金项目1项及教育部新世纪优秀人才支持计划项目1项等。发表学术论文120余篇,其中在包括国际固体力学领域旗舰期刊J. Mech. Phys. Solids,陶瓷领域顶级期刊J. Am. Ceram. Soc.,复合材料领域Top期刊Compos. Sci. Technol.,航空航天领域重要期刊AIAA J. 在内的国际期刊上录用及发表SCI论文103篇,申请发明专利20余项,已授权4项。以第一完成人获重庆大学自然科学奖一等奖1项。在Elsevier旗下SciVal数据库中,关于温度相关性强度理论方面,李卫国教授发表SCI论文数世界排名第一。

毕业的全部5名学生中3人已分别获得了“全国首届博新计划”资助(金额60万元,全国共200名),“重庆市优秀博士论文”和“重庆市优秀硕士论文”;1名学生获得了重庆大学首届“十大研究生学术之星”;所有的3名博士毕业生和两名在站博士后均获得了“国家自然科学基金青年基金”资助;两名在站博士后还分别获得了“重庆市首届博新计划”(金额60万元,重庆市共10名)和“重庆市基础研究与前沿探索项目”资助;大部分学生都获得了“研究生国家奖学金”,并独立承担了重庆市研究生科研创新项目和中央高校创新创业项目;3名学生获得了航空航天学院“空天之星”(学院共6名)。

团队主页:http://ae.cqu.edu.cn/info/1093/1689.htm

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李卫国教授及其研究团队成员

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程乐 责任编辑 航空航天学院