Numerical investigation of thermomechanical response of multiscale porous Ultra-High Temperature Ceramics

材料科学 多孔性 陶瓷 复合材料 热导率 变形(气象学) 结构材料 热的 刚度 航天飞机热防护系统 高超音速 表征(材料科学) 多孔介质 传热 机械 热力学 纳米技术 热保护 物理
作者
Stefan J. Povolny,Gary D. Seidel,Carolina Tallón
出处
期刊:Ceramics International [Elsevier BV]
卷期号:48 (8): 11502-11517 被引量:13
标识
DOI:10.1016/j.ceramint.2022.01.006
摘要

Recent advances in Ultra-High Temperature Ceramics (UHTC) manufacturing have permitted the development of multiscale porous UHTC microstructures. Within the target application of hypersonic vehicles, dense UHTCs are suitable for thermal protection on leading edges, whereas porous UHTCs may find a role in providing thermally insulated interfaces for temperature-sensitive interior components. Designing vehicles incorporating porous UHTCs requires a characterization of their thermomechanical properties across the full range of expected operating temperatures spanning −20 °C–2500 °C. This work represents a preliminary study in performing this characterization. Several numerical experiments are performed using a coupled thermomechanical implementation of the Material Point Method to determine the temperature dependence of effective material properties both with and without damage. Furthermore, complex time-dependent boundary conditions derived from known hypersonic flight profiles are simulated in order to probe the various couplings between deformation, damage and heat transfer. It is shown that the model reveals the importance of micro-buckling in determining effective material stiffness and thermal conductivity.
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