ZnS透波陶瓷天线窗和超高温陶瓷抗热震性能研究

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应用于近空间飞行器天线窗口的ZnS透波陶瓷在其服役过程中受到气动加热、气动压差、外界约束等因素的作用,因此其抗热震性能的研究需要考虑它们的联合作用。本文中将气动加热条件下ZnS薄板瞬态导热问题的解析解代入其热应力场模型中,建立理论模型。数值模拟不仅被用来验证理论模型,而且被用来研究如何提高ZnS薄板的抗热震性能。本文第二章中研究了气动压差的影响,并重点关注了放松约束和采用主动冷却的效果。研究表明:受到简支约束的ZnS薄板临界断裂温差存在波峰值;采用放松约束时薄板抗热震性能明显优化,气动压差对抗热震性能的影响与破坏区域的位置紧密相关;采用主动冷却是提高薄板抗热震性能的有效途径,且气动压差越强其抗热震性能越好,但是主动冷却不能过于剧烈。本文第三章中研究了在受到气动压差作用下,ZnS薄板四周约束的强弱、薄板尺寸、薄板长宽比对其抗热震性能的影响。研究表明:较大的传热条件对应于较弱的抗热震性能,但约束太强时情况则刚好相反;对应于不同的气动压差,正方形薄板的抗热震性能较强;根据气动压差的变化范围选取合理的尺寸能够提供更好的抗热震性能。陶瓷的抗热冲击阻力不仅和材料的力学与热学性能相关,还与外界约束和热环境紧密相连。所以为了能研究其在服役过程中的实际情况,在现有的抗热震性能理论基础上,建立了可表征热环境与外界约束共同影响的超高温陶瓷材料抗热震性能的温度相关性模型。此外,理论模型通过数值方法进行了验证。本文第四章中的工作重点关注了在不同热冲击情况下对应力降低因子的修正,并研究了在急剧升温和冷却两种不同服役条件下约束条件对临界断裂温差和第二抗热冲击阻力参数的影响。研究结果表明对应力降低因子的修正非常必要,其明显优化了理论计算值;第二抗热冲击阻力参数的适用范围存在局限性。
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