脆性材料热冲击裂纹的耦合热弹性离散模型开发：裂纹模式与材料特性的参数化分析

为解决脆性陶瓷材料在热冲击下裂纹行为的复杂机制问题，研究人员开发了基于本构粒子动力学(CPD)的耦合热弹性离散模型。该模型通过整合瞬态热传导与力学变形，成功模拟了Al2 O3 等陶瓷淬火过程中的周期性分级裂纹，揭示了热导率、杨氏模量等参数对裂纹间距的影响规律，为材料热冲击性能优化提供了新工具。

　　

陶瓷材料如氧化铝(Al₂
O₃
)、氧化锆(ZrO₂
)因其优异的耐高温性能广泛应用于航天热障涂层，但这些材料在骤冷环境下产生的热冲击裂纹会显著降低其服役寿命。传统实验手段难以捕捉裂纹萌生瞬间的动态过程，而现有数值模型又受限于连续介质假设，无法准确描述裂纹的空间不连续性。更棘手的是，热导率、热膨胀系数等十余项参数共同影响裂纹行为，但尚无模型能系统解析其协同作用机制。

针对这一挑战，Venkatesh Ananchaperumal等研究者创新性地将本构粒子动力学(Constitutively Informed Particle Dynamics, CPD)与瞬态热传导模型耦合，建立了首个能同时反映热-力耦合效应与材料本构关系的离散模型。该工作发表在《Materials Science and Engineering: A》上，通过模拟矩形Al₂
O₃
试样的淬火过程，不仅复现了实验观察到的分级裂纹图案，更首次量化了各参数对裂纹间距的调控规律。

关键技术包括：1) 基于Delaunay三角剖分的15000粒子离散系统；2) 耦合热扩散方程与CPD力学框架；3) 应变能密度判据实现脆性断裂模拟；4) 通过无量纲分析解析7项关键参数(淬火温度、热导率、比热容、密度、热膨胀系数、杨氏模量、临界破坏能)的协同效应。

Constitutively informed particle dynamics with heat diffusion
模型突破传统DEM仅考虑最近邻粒子相互作用的局限，通过"自上而下"的本构映射方法，使离散系统严格遵循连续介质热弹性理论。热扩散模块采用显式时间积分求解非稳态传热，力学模块通过键能密度函数反映材料本构，二者通过热应变项实现双向耦合。

Validation of heat diffusion model
在边界温度从T₀
骤升至T_max
的验证案例中，模型精确再现了经典热传导解，温度场误差小于5%。裂纹模拟结果与文献实验数据高度吻合，特征性的"主裂纹-次级裂纹"分级结构间距误差仅3.2%，证实模型捕捉复杂热-力耦合效应的可靠性。

Conclusion
研究首次实现热冲击裂纹从萌生到扩展的全过程离散模拟，揭示裂纹间距λ与无量纲参数Π=αΔTE/(γ_c
ρc)存在幂律关系(其中α为热膨胀系数，ΔT为淬火温差，E为杨氏模量，γ_c
为临界破坏能，ρ为密度，c为比热容)。该规律为设计抗热震陶瓷提供理论指导：通过调控Π参数组合，可预判材料在特定工况下的裂纹密度。这种"性能可编程"设计思路，对航天发动机热障涂层、核反应堆包壳材料等极端环境应用具有重要价值。