氢化锂陶瓷高温准静载荷下的损伤行为和断裂机制研究

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中文摘要：空间核反应堆电源是深空探测的关键技术，也是未来大功率、长寿命和高可靠性空间电源的必然发展方向。辐射屏蔽体是空间核反应堆电源中的重要组成部分，用以降低中子和γ射线等核辐射至安全水平。然而，由于空间核系统辐射屏蔽空间有限、环境温度高、辐照条件复杂恶劣，需要严格限制屏蔽体质量和体积并对屏蔽材料性能提出了更高的要求。氢化锂（LiH）因其氢容量高、密度低、中子吸收截面高等一系列优点，是首选的空间堆中子屏蔽材料。LiH在用作空间堆中子屏蔽材料时，需要制备成型为LiH陶瓷。但是LiH陶瓷具有强度低、脆性大/韧性小以及对温度和环境条件变化敏感等特点，在生产和服役过程中无可避免地会受到复杂热-力条件作用而出现裂纹萌生/扩展等损伤，使得材料及部件性能下降甚至断裂。然而由于LiH化学性质活泼且具有一定的毒性，研究难度大，导致目前相关研究十分缺乏。因此，LiH陶瓷在高温下的损伤行为和断裂机制研究对于其安全服役和应用至关重要。本论文系统研究了 LiH陶瓷高温准静载荷下的损伤行为和断裂机制。对LiH陶瓷材料高温准静载荷下的损伤行为和断裂韧性进行了表征、分析和探究。结合试样宏观断裂行为和微观断面形貌综合分析，探究了 LiH陶瓷高温准静载荷下的断裂机制。同时，根据实验结果建立了 LiH陶瓷损伤本构模型，并对模型进一步分析、验证与改进。首先，通过LiH陶瓷高温准静载荷下的力学响应和宏观力学性能变化分析对其短时高温损伤和动态疲劳/蠕变损伤进行表征。温度升高会导致短时高温损伤出现，LiH陶瓷载荷-挠度曲线出现峰值载荷前的非线性段和峰值载荷后的软化段。此外，LiH陶瓷的弹性模量随温度升高不断降低。弯曲强度在室温（RT）至200℃有轻微的下降，之后在200～300℃上升到最大值，最后在实验温度超过300℃后不断下降。在RT下，LiH陶瓷切口试样的强度随着应力速率降低而降低，表现出明显的动态疲劳行为。试样失稳断裂前有裂纹缓慢扩展（SCG）发生。随着温度升高和应力速率降低，蠕变损伤逐渐变得显著。在高温和低应力速率下，固有缺陷SCG和蠕变微裂纹引入是同时发生且相互竞争的损伤过程，其中之一主导宏观断裂。其次，使用单边V型切口梁（SEVNB）试样给出了不同温度下LiH陶瓷的阻力曲线（R曲线）并研究其断裂韧性的温度效应。当试样发生脆性断裂，裂纹扩展阻力在裂纹扩展中始终保持为常数，材料具有水平的R曲线。而随着温度升高，LiH陶瓷有足够的塑性变形能力，裂纹扩展阻力随着裂纹扩展不断增加，表现出上升的R曲线，裂纹容限有较大提升。在加载速率0.5mm/min下，断裂韧性在RT至200℃有轻微的下降，之后在200～400℃有大幅度提高，最后在实验温度超过400℃后有小幅度下降。LiH陶瓷的断裂韧性-温度变化趋势与弯曲强度-温度趋势显示出一些相似性。相比于强度，塑性是影响LiH陶瓷断裂韧性更重要的因素。此外，结合宏观断裂行为和微观断面形貌观察，分析探究了 LiH陶瓷高温准静载荷下的断裂机制。在RT以及200和300℃的较高加载速率下，断裂机制为SCG主导的解理断裂。当外载超过疲劳阈值,LiH陶瓷中的固有缺陷会发生SCG。试样在固有缺陷到达临界尺寸时发生失稳断裂。失稳扩展的裂纹优先沿某一解理面扩展。随着加载速率降低，SCG发展时间变长，断面上SCG区深度增大。在实验温度≥200℃的低加载速率下，断裂机制为蠕变过程主导的蠕变断裂。断面存在粗糙的蠕变损伤区且可以观察到大量蠕变相关的微裂纹。随着温度升高和加载速率降低，蠕变被热激活并不断累积为蠕变微裂纹，并进一步扩展、合并、连接为宏观可见的蠕变裂纹最终导致断裂。在实验温度≥400℃的较高加载速率下，蠕变可以忽略，断裂机制为微孔聚合主导的韧性断裂。试样有明显的塑性变形，裂纹扩展路径伴有裂纹分叉、桥接和晶粒拔出等现象。断面粗糙并可以观察到明显的韧窝特征。外载导致材料内部分离形成显微空洞。在位错运动的作用下,显微空洞不断长大、聚集、连接形成宏观裂纹。最后，在损伤力学及统计理论的基础上，结合LiH陶瓷高温准静载荷下的实验结果分析，构建了适用于LiH陶瓷的损伤本构模型。同时，对该模型进行了进一步的分析、验证和改进，建立考虑软化效应的LiH陶瓷损伤本构模型。该模型得到的理论应力-应变曲线与实验结果基本一致，可对LiH陶瓷在高温和不同加载速率下的损伤演化过程和受力变形进行较为准确的描述。本论文的研究成果为特定环境温度准静载荷下LiH陶瓷的制备加工、储存、运输和服役应用等提供具体关键数据，并为其损伤程度和断裂模式等分析提供参考。同时，有望在未来为LiH陶瓷进一步的应用设计、性能提高和服役寿命等关键问题提供实验依据和理论指导。

作者：

张王梓

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关键词：

空间核反应堆电源辐射屏蔽体氢化锂陶瓷高温准静载荷损伤行为断裂机制

授予学位：

博士

学科专业：

核科学与技术

导师：

万元熙；彭蕾

学位年度：

2023

学位授予单位：

中国科学技术大学

语种：

中文

中图分类号：