杜善义：高温固体力学发展面临的挑战及建议

空天飞行器技术作为综合性高新技术，是人类探索、开发和利用空间资源的有效手段，几十年来的发展和应用已经且将继续对社会经济、国防、科学技术及人类生活产生巨大影响，也是带动综合国力提升的牵动性技术。发展空天飞行器，主要目的是不断提高人类“进入空间”“控制空间”和“利用空间”的能力。更高速度飞行是飞行器发展的永恒主题。高超声速飞行与高超声速飞行器是空天飞行器的重要发展领域，也是我国从航天大国迈向航天强国的重要标志之一。

空天飞行器再入大气层的高超声速飞行，特别是大气层内长时间飞行的高超声速飞行器，必然会经受极端热环境，这种热障问题是其成败的关键。特别是高超声速飞行器在大气层内超高速、超高温、长时间飞行，热环境更为严酷。长时间的气动加热使得飞行器的头部和翼缘等部位的表面温度超过2 000℃，同时为保持气动外形，这些部位外表面不允许产生明显烧蚀。如何耐受高温并保证近零烧蚀和抗氧化，对热防护材料而言极具挑战。“轻”是空天飞行器追求的永恒主题。空天飞行器作为一种在特殊环境下飞行的升力体，对结构重量系数的要求更为强烈，结构重量系数必须足够小，才能保证有效载荷的比例，保证航行距离，所以必须采取既耐高温又轻质的新材料和结构。

高温固体力学是钱学森先生60 多年前提出的力学分支。高温固体力学作为研究高温作用下固体介质及结构受力、变形、破坏以及相关变化与效应的一门学科，是实现空天飞行器热防护系统设计、优化、可靠应用的关键基础科学，充分认知极端热和热力耦合环境特征、材料和结构的性质、性能以及材料和环境耦合作用机制，建立科学预测模型和分析方法，是实现科学与优化设计的前提。高温固体力学作为航空航天科学技术最重要的基础和支撑学科之一，在学科发展和工程应用的“双力驱动”下快速发展，不断提升理论模型的描述和预测能力，积极谋求与其他学科进行交叉创新，突破和解决这些问题，才能适应新时代航空航天技术的发展特点与趋势。

▍材料高温性能测试与表征技术的局限性

虽然国内外已经具备可至3 000℃以上的材料高温力学性能测试技术，但无论是从测试方法和还是测试能力上，仍难以满足未来新型空天飞行器，特别是高超声速飞行器的发展需求。目前采用包括电阻辐射、红外辐射、感应耦合、直接通电、激光等多种手段，与实际服役工况相比，在材料热响应历程、热响应分布、响应机制上都存在很大的局限性，天地或空地一致性和有效性需要进一步研究与验证；鉴于测试能力和成本限制，尺寸效应和失效机制的影响还难以把握；许多高温材料的工艺特点决定其组分性能具有强烈的“就位性能”特征，难以用原材料进行测试和表征，组分材料的高温性能测试技术亟待发展；如薄壁材料厚度方向性能、高脆性材料泊松比、低膨胀材料热膨胀系数等常温条件下难测的性能，如何获取高温性能更具挑战；同时高温动态特性、高温复杂应力材料性能也亟须发展有效的方法；一些非传统材料和结构概念，如高温梯度材料、点阵结构等如何测试和表征其高温行为尚无解决的方法。

▲ 材料超高温力学性能测试系统

哈尔滨工业大学的材料超高温力学性能测试系统主要由DDL50 型电子万能材料试验机、超高温真空(充气)环境舱、测控系统、程控电源、金属水冷夹具和高强C/ C复合材料加载块等组成。该系统采用通电电阻加热技术，最高加热温度为3 000℃，控温精度不小于试验温度的0.5%，试验环境为真空或惰性气体环境；最大试验载荷为50 kN，力测量精度：在力传感器容量的0.4% ~100%范围内示值的±0.5%｡ 

▍高温材料体系的复杂性

与传统高温材料要求不同，新型空天飞行器要求服役于极端环境下的材料和结构兼具耐热、防热、隔热、承载等多重功能属性，复合化、陶瓷化成为发展趋势。就目前研究热点来看，超高温陶瓷材料在耐高温、抗氧化能力上虽有巨大潜力，但韧性较差的问题依然困扰着其进一步发展，通过复合化进一步提高其力学性能。以C/ C、C/ SiC、SiC/ SiC以及超高温陶瓷基复合材料为代表的热结构复合材料其“陶瓷”属性和工艺特性决定了内部含有大量的初始缺陷，材料性能表现出很大的分散性，且与工艺密切相关；为轻质化发展起来的新一代防隔热一体化复合材料，多采用纤维增强多孔材料的途径降低密度，采取涂层或组合形式提升综合性能。这些研究对象材料组合和微结构的复杂化，给发展测试表征方法、建立分析模型、实现定量化预报、获取优化方案等力学理论和方法提出了严峻的挑战。

飞行器设计要求采用成熟的材料体系，成熟的标志是具有“A 或B 基准”设计性能数据库或经“同行评审”的设计许用值数据库，而针对热防护和热结构材料要求又不尽相同。高温陶瓷基和碳基复合材料结构体系与工艺过程极为复杂，性能分析与表征十分困难。如何确定其性能，美国MIL HDBK 17 初步给出了确定A 和B 基准许用值材料批次数量和每批次试样数量，但仍存在多项内容空缺，待后续完善。我国在此方面尚缺乏系统性的研究工作。

▍高温本构关系与强度理论的挑战性

早在20 世纪50 年代，人们就能够获取关键耐高温材料的高温力学性能，现已将测试温度拓展到3 000℃以上，材料高温力学行为表现出强烈的非线性，甚至高温蠕变行为，但现在还只能从宏观唯象上描述其本构关系，尤其是高温损伤演化对新型高温复合材料本构行为带来的影响更需进一步研究。“温度”+“强度”成为固体力学最大的挑战之一，尤其是高温复合材料在复杂载荷条件下表现出来的多重失效模式更是难上加难，在现有工程设计中经常采取的是常温试验获得的简单二向强度准则和一些有限的高温试验结果，但由于复合材料微细观结构的复杂性，在复杂载荷条件下表现出不同的破坏模式，虽加大安全系数，仍难保可靠性，且降低了结构效率，亟须基础研究的突破，研究基于不同失效机制、分象限拟合的强度包络线，或建立强度理论。当前发展的基于渐进损伤分析的虚拟试验技术，有希望成为描述复杂高温材料本构关系和强度准则最为有效的技术途径。

▍材料高温力学行为研究的多学科性

传统高温固体力学研究方法，重点在于热载荷对材料力学性能和结构行为的影响，必须发展力/ 热耦合作用下的相关理论和方法。而对于服役于高温环境下的材料或结构来说，材料表面与多种环境因素相互耦合，产生复杂的物理、化学变化及效应，同时随着服役温度和时间的增加，材料内部缺陷、损伤的演化也会由不同时空尺度上的物理化学变化所决定。如高超声速飞行引起的高焓非平衡流动与高温材料表面作用机制复杂，材料响应温度既与热流、压力、焓值等环境参数直接关联，又与材料氧化、催化和辐射特性密切相关，材料发生氧化、烧蚀、剥蚀、物性和组分改变，引起材料物性、表面状态改变及质量引射等效应，又会导致环境的流动状态、能量、组分及分布的改变。因此，高温固体力学需要进一步打破学科界限，与材料、物理、化学等学科进行深度交叉与融合，才能达到发现现象本质，揭示机理，把握规律的目的。

高温固体力学是一个具有战略意义和需求显著的研究方向，挑战大、难度高，这些科学问题如果得不到解决，将会导致系统设计、关键技术攻关和研制中存在很大的盲目性，引起较大的结构风险，对安全、可靠服役产生致命性的影响，或由于过于保守引起结构效率和性能下降，需要从国家层面给予重点关注和长期、稳定的支持。

未来发展建议:

▍充分认识我国在高温固体力学研究方面的不足和缺口，利用已有相关研究优势单位，重点投入，建设系统的国家级高温试验设施，发展逐渐成熟的数值模拟方法和软件，鼓励更多学者积极探索与此相关的新理论、新方法和新技术，同时避免碎片化、同质化和低水平重复。

▍高温固体力学具有明确而极为重要的需求背景和艰巨的学科挑战特征，积极促进力学本身内部及与其他学科的深层次交叉，充分发挥力学“建模、试验、定量化预报”的优势；同时更需要加强产、学、研大力协同和联合，将知识创新有机融入技术创新体系，在实践中不断检验和完善新理论、新方法和新技术。

▍结合国内外发展态势和新型飞行器的发展需求，建议未来重点发展如下研究方向：

• 发展创新性高温测试方法，并高度重视与极端、原位、全场、内部、在线试验和表征技术相结合，以获取更加丰富的信息；

• 充分借助先进的试验和数值技术，发展能够描述高温本构和失效行为的“多场、多尺度”建模、分析和优化方法，强调模型的试验验证，不断提高预报方法的置信度和精度；

• 加强与高温材料和服役环境相关的不确定性定量化方法研究，发展材料概率寿命预测和损伤容限分析方法；

• 把材料高温行为的理解集成到结构尺度模拟中，实现基于非确定性框架下的结构尺度高置信度失效模拟；

• 促进多学科交叉，与“高温物理效应”和“计算材料学”结合，创制和优化新型热防护和热结构概念。

本文摘编自《高温固体力学》（杜善义著. 北京:科学出版社，2021.12）一书“第1章 绪论”“前言”，有删减，标题为编者所加。

高温固体力学/杜善义

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（本文编辑：刘四旦）