在考虑界面形态的情况下，高温雷达-红外兼容隐身涂层在热循环作用下的残余应力演变及失效行为

《Materials Letters》：Residual stress evolution and failure behaviour of High-Temperature Radar-Infrared compatible stealth coatings under thermal cycles considering interface morphology

设计了一种超薄高温雷达-红外兼容隐身涂层（HRISC），测试其高温隐身性能及热循环失效行为，通过有限元模型分析界面形貌（TGO和DL层）对残余应力的影响，发现最大应力位于TBL1/TGO界面，波长和幅值显著影响应力分布，并提出优化方向。

　　在现代军事科技迅速发展的背景下，隐身技术已成为先进飞行器设计和制造的核心能力之一。随着检测技术的不断进步，单一频段的隐身性能已难以满足当前军事应用的复杂需求，因此，雷达与红外兼容隐身技术逐渐成为研究的热点。该技术旨在通过单一材料同时实现对雷达波的吸收和对红外辐射的抑制，从而提高飞行器在复杂环境下的生存能力和作战效能。然而，传统的隐身材料在高温条件下往往无法满足高性能和耐久性的要求，尤其是在高超音速飞行器中，高温环境对材料的性能提出了更高的挑战。为此，研究人员致力于开发具有耐高温特性的新型隐身涂层，以应对这一问题。

本文提出了一种超薄、耐高温的雷达-红外兼容隐身涂层（HRISC）系统，该系统包含热障涂层（TBC）结构，其设计目标是在保证隐身性能的同时，显著减少材料厚度。HRISC系统的结构包括七个层：从下至上依次为结合层（BL）、热生长氧化物层（TGO）、热障陶瓷层1（TBL1）、介质层（DL）、电阻周期图案（RPP）、热障陶瓷层2（TBL2）和电容频率选择表面（FSS）。在实际应用中，由于飞行器在高温环境下的频繁热循环，HRISC系统的界面裂纹和剥落是主要的失效模式，这限制了其在高超音速飞行器中的应用。因此，研究HRISC系统的残余应力分布及其对失效行为的影响，对于提升其结构可靠性和延长使用寿命具有重要意义。

为了深入分析HRISC系统在热循环过程中的失效机制，本文采用有限元方法（FEM）对涂层系统的残余应力分布进行了模拟。研究重点考虑了TGO的动态生长、涂层的蠕变和塑性特性，以及界面形态对残余应力分布的影响。具体而言，研究分析了TGO和DL层的振幅与波长对界面失效区域应力分布的影响。结果显示，HRISC系统中最大界面应力出现在结合层/TGO界面，且振幅和波长对应力分布的影响最为显著。此外，DL层与热障陶瓷层1界面附近出现了应力集中区域，该区域的最大应力随着振幅的增加和波长的减小而增加。裂纹从DL层的峰值向该应力集中区扩展，这一现象与实验观察结果一致。因此，本文的研究成果为兼容隐身涂层的结构设计和失效行为评估提供了理论依据。

HRISC系统的实验部分包括雷达反射率和红外发射率的测试，以及氧化和热循环实验。实验表明，该涂层在高温下表现出良好的雷达-红外兼容隐身性能，其在1000℃时的微波吸收带宽可达3.8GHz。红外发射率在3-5μm和8-14μm波段分别为0.29和0.41，表明其在高温下仍能保持优异的隐身性能。同时，通过氧化实验，研究了TGO厚度和界面失效位置的变化趋势。实验结果显示，随着氧化时间的延长，TGO厚度逐渐增加，而界面失效则主要发生在结合层/TGO界面。这些实验结果为后续的数值模拟提供了重要的数据支持。

在有限元模型构建方面，研究采用了一种简化的模型来模拟HRISC系统的结构。模型假设没有材料缺陷，并且层间相对滑动不被考虑。同时，TGO的生长仅在保持阶段进行，其皱褶行为被忽略。为了提高计算精度，模型在各相邻界面附近进行了网格细化。研究还考虑了TGO在高温下的体积膨胀效应，并通过动态生长模型模拟了其在热循环过程中的行为。该模型采用修正后的体积膨胀应变，以避免因TGO生长导致的网格畸变和计算不收敛问题。通过引入用户自定义子程序（USDFLD）和热膨胀子程序（UEXPAN），实现了TGO材料属性从结合层到氧化层的平滑过渡，同时考虑了TGO在横向和纵向的生长应变。

材料参数的选取对于模拟的准确性至关重要。研究中考虑了各层材料的温度依赖性，包括热膨胀系数、杨氏模量和泊松比。此外，结合层和热障陶瓷层1的塑性行为被纳入模型，以更全面地反映其在热循环过程中的应力演化。通过将TGO视为具有温度依赖性的弹性材料，研究模拟了其在高温下的生长应力。这些材料参数的设置使得模型能够更真实地反映HRISC系统在实际应用中的性能。

在边界条件和热加载历史的设定上，研究采用了周期性边界条件，以模拟HRISC系统在热循环过程中的连续结构。同时，通过设置两种不同的温度加载条件，比较了初始冷却阶段对残余应力的影响。实验结果显示，初始冷却阶段对残余应力的初始值有一定影响，但随着热循环次数的增加，其影响逐渐减弱。此外，研究还分析了电阻周期图案（RPP）对残余应力分布的影响，发现RPP对界面残余应力的影响较小，因此在后续分析中可以忽略。

在结果分析部分，研究重点探讨了TGO和DL界面形态对残余应力分布的影响。通过改变TGO和DL层的振幅和波长，研究观察到不同界面形态对残余应力的分布具有显著影响。例如，TGO的振幅和波长的变化导致了界面应力的显著差异，其中振幅和波长对界面应力的影响尤为明显。对于TBL1/TGO界面，随着热循环次数的增加，其最大拉应力逐渐增大，而TGO的波长对拉应力和压应力的影响表现出非线性关系。对于BL/TGO界面，其拉应力主要集中在TGO的峰值区域，而压应力则分布在谷值区域。研究还发现，TGO的波长越小，其对界面应力的影响越显著，尤其是在热循环过程中，应力的变化更加明显。

DL层的界面形态同样对残余应力分布产生了重要影响。研究发现，DL层的振幅和波长的变化显著影响了其应力集中区域的应力值。对于相同波长的DL层，随着振幅的增加，应力集中区域的最大应力也随之增加。此外，当波长减小时，DL层的应力集中区域的应力值进一步升高。这些结果表明，DL层的界面形态在高温热循环过程中对残余应力的分布具有关键作用。

在失效分析方面，研究发现HRISC系统的失效主要发生在结合层/TGO界面和DL层/TBL1界面。这些界面在热循环过程中容易产生裂纹，并最终导致涂层的剥落。为了更准确地预测这些失效模式，研究建议进一步通过实验测量这些关键界面的界面断裂韧性，以结合模拟结果进行更精确的失效分析。此外，研究还指出，未来可以开发三维有限元模型，以更全面地分析复杂界面形态对残余应力的影响，从而提升模型的预测能力和实际应用价值。

综上所述，本文通过实验和数值模拟相结合的方法，深入研究了HRISC系统在高温热循环环境下的性能和失效机制。研究结果表明，TGO和DL层的界面形态对残余应力分布具有显著影响，其中振幅和波长的变化尤为关键。此外，初始冷却阶段对残余应力的影响较小，而RPP对界面应力的影响可以忽略。这些发现为未来隐身涂层的设计和优化提供了重要的理论依据和技术支持。同时，研究也指出了当前模型的局限性，如二维假设、等温条件等，为后续研究提供了方向。通过进一步的实验验证和三维建模，可以更全面地理解HRISC系统在复杂热环境下的行为，从而推动其在高超音速飞行器中的实际应用。