杜善義：高溫固體力學發展面臨的(de)挑戰及建議

空天飛行器技術作爲(wéi / wèi)綜合性高新技術，是(shì)人(rén)類探索、開發和(hé / huò)利用空間資源的(de)有效手段，幾十年來(lái)的(de)發展和(hé / huò)應用已經且将繼續對社會經濟、國(guó)防、科學技術及人(rén)類生活産生巨大(dà)影響，也(yě)是(shì)帶動綜合國(guó)力提升的(de)牽動性技術。發展空天飛行器，主要(yào / yāo)目的(de)是(shì)不(bù)斷提高人(rén)類“進入空間”“控制空間”和(hé / huò)“利用空間”的(de)能力。更高速度飛行是(shì)飛行器發展的(de)永恒主題。高超聲速飛行與高超聲速飛行器是(shì)空天飛行器的(de)重要(yào / yāo)發展領域，也(yě)是(shì)我國(guó)從航天大(dà)國(guó)邁向航天強國(guó)的(de)重要(yào / yāo)标志之(zhī)一(yī / yì ／yí)。

空天飛行器再入大(dà)氣層的(de)高超聲速飛行，特别是(shì)大(dà)氣層内長時(shí)間飛行的(de)高超聲速飛行器，必然會經受極端熱環境，這(zhè)種熱障問題是(shì)其成敗的(de)關鍵。特别是(shì)高超聲速飛行器在(zài)大(dà)氣層内超高速、超高溫、長時(shí)間飛行，熱環境更爲(wéi / wèi)嚴酷。長時(shí)間的(de)氣動加熱使得飛行器的(de)頭部和(hé / huò)翼緣等部位的(de)表面溫度超過2 000℃，同時(shí)爲(wéi / wèi)保持氣動外形，這(zhè)些部位外表面不(bù)允許産生明顯燒蝕。如何耐受高溫并保證近零燒蝕和(hé / huò)抗氧化，對熱防護材料而(ér)言極具挑戰。“輕”是(shì)空天飛行器追求的(de)永恒主題。空天飛行器作爲(wéi / wèi)一(yī / yì ／yí)種在(zài)特殊環境下飛行的(de)升力體，對結構重量系數的(de)要(yào / yāo)求更爲(wéi / wèi)強烈，結構重量系數必須足夠小，才能保證有效載荷的(de)比例，保證航行距離，所以(yǐ)必須采取既耐高溫又輕質的(de)新材料和(hé / huò)結構。

高溫固體力學是(shì)錢學森先生60 多年前提出(chū)的(de)力學分支。高溫固體力學作爲(wéi / wèi)研究高溫作用下固體介質及結構受力、變形、破壞以(yǐ)及相關變化與效應的(de)一(yī / yì ／yí)門學科，是(shì)實現空天飛行器熱防護系統設計、優化、可靠應用的(de)關鍵基礎科學，充分認知極端熱和(hé / huò)熱力耦合環境特征、材料和(hé / huò)結構的(de)性質、性能以(yǐ)及材料和(hé / huò)環境耦合作用機制，建立科學預測模型和(hé / huò)分析方法，是(shì)實現科學與優化設計的(de)前提。高溫固體力學作爲(wéi / wèi)航空航天科學技術最重要(yào / yāo)的(de)基礎和(hé / huò)支撐學科之(zhī)一(yī / yì ／yí)，在(zài)學科發展和(hé / huò)工程應用的(de)“雙力驅動”下快速發展，不(bù)斷提升理論模型的(de)描述和(hé / huò)預測能力，積極謀求與其他(tā)學科進行交叉創新，突破和(hé / huò)解決這(zhè)些問題，才能适應新時(shí)代航空航天技術的(de)發展特點與趨勢。

▍材料高溫性能測試與表征技術的(de)局限性

雖然國(guó)内外已經具備可至3 000℃以(yǐ)上(shàng)的(de)材料高溫力學性能測試技術，但無論是(shì)從測試方法和(hé / huò)還是(shì)測試能力上(shàng)，仍難以(yǐ)滿足未來(lái)新型空天飛行器，特别是(shì)高超聲速飛行器的(de)發展需求。目前采用包括電阻輻射、紅外輻射、感應耦合、直接通電、激光等多種手段，與實際服役工況相比，在(zài)材料熱響應曆程、熱響應分布、響應機制上(shàng)都存在(zài)很大(dà)的(de)局限性，天地(dì / de)或空地(dì / de)一(yī / yì ／yí)緻性和(hé / huò)有效性需要(yào / yāo)進一(yī / yì ／yí)步研究與驗證；鑒于(yú)測試能力和(hé / huò)成本限制，尺寸效應和(hé / huò)失效機制的(de)影響還難以(yǐ)把握；許多高溫材料的(de)工藝特點決定其組分性能具有強烈的(de)“就(jiù)位性能”特征，難以(yǐ)用原材料進行測試和(hé / huò)表征，組分材料的(de)高溫性能測試技術亟待發展；如薄壁材料厚度方向性能、高脆性材料泊松比、低膨脹材料熱膨脹系數等常溫條件下難測的(de)性能，如何獲取高溫性能更具挑戰；同時(shí)高溫動态特性、高溫複雜應力材料性能也(yě)亟須發展有效的(de)方法；一(yī / yì ／yí)些非傳統材料和(hé / huò)結構概念，如高溫梯度材料、點陣結構等如何測試和(hé / huò)表征其高溫行爲(wéi / wèi)尚無解決的(de)方法。

▲ 材料超高溫力學性能測試系統

哈爾濱工業大(dà)學的(de)材料超高溫力學性能測試系統主要(yào / yāo)由DDL50 型電子(zǐ)萬能材料試驗機、超高溫真空(充氣)環境艙、測控系統、程控電源、金屬水冷夾具和(hé / huò)高強C/ C複合材料加載塊等組成。該系統采用通電電阻加熱技術，最高加熱溫度爲(wéi / wèi)3 000℃，控溫精度不(bù)小于(yú)試驗溫度的(de)0.5%，試驗環境爲(wéi / wèi)真空或惰性氣體環境；最大(dà)試驗載荷爲(wéi / wèi)50 kN，力測量精度：在(zài)力傳感器容量的(de)0.4% ~100%範圍内示值的(de)±0.5%｡ 

▍高溫材料體系的(de)複雜性

與傳統高溫材料要(yào / yāo)求不(bù)同，新型空天飛行器要(yào / yāo)求服役于(yú)極端環境下的(de)材料和(hé / huò)結構兼具耐熱、防熱、隔熱、承載等多重功能屬性，複合化、陶瓷化成爲(wéi / wèi)發展趨勢。就(jiù)目前研究熱點來(lái)看，超高溫陶瓷材料在(zài)耐高溫、抗氧化能力上(shàng)雖有巨大(dà)潛力，但韌性較差的(de)問題依然困擾着其進一(yī / yì ／yí)步發展，通過複合化進一(yī / yì ／yí)步提高其力學性能。以(yǐ)C/ C、C/ SiC、SiC/ SiC以(yǐ)及超高溫陶瓷基複合材料爲(wéi / wèi)代表的(de)熱結構複合材料其“陶瓷”屬性和(hé / huò)工藝特性決定了(le／liǎo)内部含有大(dà)量的(de)初始缺陷，材料性能表現出(chū)很大(dà)的(de)分散性，且與工藝密切相關；爲(wéi / wèi)輕質化發展起來(lái)的(de)新一(yī / yì ／yí)代防隔熱一(yī / yì ／yí)體化複合材料，多采用纖維增強多孔材料的(de)途徑降低密度，采取塗層或組合形式提升綜合性能。這(zhè)些研究對象材料組合和(hé / huò)微結構的(de)複雜化，給發展測試表征方法、建立分析模型、實現定量化預報、獲取優化方案等力學理論和(hé / huò)方法提出(chū)了(le／liǎo)嚴峻的(de)挑戰。

飛行器設計要(yào / yāo)求采用成熟的(de)材料體系，成熟的(de)标志是(shì)具有“A 或B 基準”設計性能數據庫或經“同行評審”的(de)設計許用值數據庫，而(ér)針對熱防護和(hé / huò)熱結構材料要(yào / yāo)求又不(bù)盡相同。高溫陶瓷基和(hé / huò)碳基複合材料結構體系與工藝過程極爲(wéi / wèi)複雜，性能分析與表征十分困難。如何确定其性能，美國(guó)MIL HDBK 17 初步給出(chū)了(le／liǎo)确定A 和(hé / huò)B 基準許用值材料批次數量和(hé / huò)每批次試樣數量，但仍存在(zài)多項内容空缺，待後續完善。我國(guó)在(zài)此方面尚缺乏系統性的(de)研究工作。

▍高溫本構關系與強度理論的(de)挑戰性

早在(zài)20 世紀50 年代，人(rén)們就(jiù)能夠獲取關鍵耐高溫材料的(de)高溫力學性能，現已将測試溫度拓展到(dào)3 000℃以(yǐ)上(shàng)，材料高溫力學行爲(wéi / wèi)表現出(chū)強烈的(de)非線性，甚至高溫蠕變行爲(wéi / wèi)，但現在(zài)還隻能從宏觀唯象上(shàng)描述其本構關系，尤其是(shì)高溫損傷演化對新型高溫複合材料本構行爲(wéi / wèi)帶來(lái)的(de)影響更需進一(yī / yì ／yí)步研究。“溫度”+“強度”成爲(wéi / wèi)固體力學最大(dà)的(de)挑戰之(zhī)一(yī / yì ／yí)，尤其是(shì)高溫複合材料在(zài)複雜載荷條件下表現出(chū)來(lái)的(de)多重失效模式更是(shì)難上(shàng)加難，在(zài)現有工程設計中經常采取的(de)是(shì)常溫試驗獲得的(de)簡單二向強度準則和(hé / huò)一(yī / yì ／yí)些有限的(de)高溫試驗結果，但由于(yú)複合材料微細觀結構的(de)複雜性，在(zài)複雜載荷條件下表現出(chū)不(bù)同的(de)破壞模式，雖加大(dà)安全系數，仍難保可靠性，且降低了(le／liǎo)結構效率，亟須基礎研究的(de)突破，研究基于(yú)不(bù)同失效機制、分象限拟合的(de)強度包絡線，或建立強度理論。當前發展的(de)基于(yú)漸進損傷分析的(de)虛拟試驗技術，有希望成爲(wéi / wèi)描述複雜高溫材料本構關系和(hé / huò)強度準則最爲(wéi / wèi)有效的(de)技術途徑。

▍材料高溫力學行爲(wéi / wèi)研究的(de)多學科性

傳統高溫固體力學研究方法，重點在(zài)于(yú)熱載荷對材料力學性能和(hé / huò)結構行爲(wéi / wèi)的(de)影響，必須發展力/ 熱耦合作用下的(de)相關理論和(hé / huò)方法。而(ér)對于(yú)服役于(yú)高溫環境下的(de)材料或結構來(lái)說(shuō)，材料表面與多種環境因素相互耦合，産生複雜的(de)物理、化學變化及效應，同時(shí)随着服役溫度和(hé / huò)時(shí)間的(de)增加，材料内部缺陷、損傷的(de)演化也(yě)會由不(bù)同時(shí)空尺度上(shàng)的(de)物理化學變化所決定。如高超聲速飛行引起的(de)高焓非平衡流動與高溫材料表面作用機制複雜，材料響應溫度既與熱流、壓力、焓值等環境參數直接關聯，又與材料氧化、催化和(hé / huò)輻射特性密切相關，材料發生氧化、燒蝕、剝蝕、物性和(hé / huò)組分改變，引起材料物性、表面狀态改變及質量引射等效應，又會導緻環境的(de)流動狀态、能量、組分及分布的(de)改變。因此，高溫固體力學需要(yào / yāo)進一(yī / yì ／yí)步打破學科界限，與材料、物理、化學等學科進行深度交叉與融合，才能達到(dào)發現現象本質，揭示機理，把握規律的(de)目的(de)。

高溫固體力學是(shì)一(yī / yì ／yí)個(gè)具有戰略意義和(hé / huò)需求顯著的(de)研究方向，挑戰大(dà)、難度高，這(zhè)些科學問題如果得不(bù)到(dào)解決，将會導緻系統設計、關鍵技術攻關和(hé / huò)研制中存在(zài)很大(dà)的(de)盲目性，引起較大(dà)的(de)結構風險，對安全、可靠服役産生緻命性的(de)影響，或由于(yú)過于(yú)保守引起結構效率和(hé / huò)性能下降，需要(yào / yāo)從國(guó)家層面給予重點關注和(hé / huò)長期、穩定的(de)支持。

未來(lái)發展建議:

▍充分認識我國(guó)在(zài)高溫固體力學研究方面的(de)不(bù)足和(hé / huò)缺口，利用已有相關研究優勢單位，重點投入，建設系統的(de)國(guó)家級高溫試驗設施，發展逐漸成熟的(de)數值模拟方法和(hé / huò)軟件，鼓勵更多學者積極探索與此相關的(de)新理論、新方法和(hé / huò)新技術，同時(shí)避免碎片化、同質化和(hé / huò)低水平重複。

▍高溫固體力學具有明确而(ér)極爲(wéi / wèi)重要(yào / yāo)的(de)需求背景和(hé / huò)艱巨的(de)學科挑戰特征，積極促進力學本身内部及與其他(tā)學科的(de)深層次交叉，充分發揮力學“建模、試驗、定量化預報”的(de)優勢；同時(shí)更需要(yào / yāo)加強産、學、研大(dà)力協同和(hé / huò)聯合，将知識創新有機融入技術創新體系，在(zài)實踐中不(bù)斷檢驗和(hé / huò)完善新理論、新方法和(hé / huò)新技術。

▍結合國(guó)内外發展态勢和(hé / huò)新型飛行器的(de)發展需求，建議未來(lái)重點發展如下研究方向：

• 發展創新性高溫測試方法，并高度重視與極端、原位、全場、内部、在(zài)線試驗和(hé / huò)表征技術相結合，以(yǐ)獲取更加豐富的(de)信息；

• 充分借助先進的(de)試驗和(hé / huò)數值技術，發展能夠描述高溫本構和(hé / huò)失效行爲(wéi / wèi)的(de)“多場、多尺度”建模、分析和(hé / huò)優化方法，強調模型的(de)試驗驗證，不(bù)斷提高預報方法的(de)置信度和(hé / huò)精度；

• 加強與高溫材料和(hé / huò)服役環境相關的(de)不(bù)确定性定量化方法研究，發展材料概率壽命預測和(hé / huò)損傷容限分析方法；

• 把材料高溫行爲(wéi / wèi)的(de)理解集成到(dào)結構尺度模拟中，實現基于(yú)非确定性框架下的(de)結構尺度高置信度失效模拟；

• 促進多學科交叉，與“高溫物理效應”和(hé / huò)“計算材料學”結合，創制和(hé / huò)優化新型熱防護和(hé / huò)熱結構概念。

本文摘編自《高溫固體力學》（杜善義著. 北京:科學出(chū)版社，2021.12）一(yī / yì ／yí)書“第1章 緒論”“前言”，有删減，标題爲(wéi / wèi)編者所加。

高溫固體力學/杜善義

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（本文編輯：劉四旦）