题目：纤维增强气凝胶力学行为研究

随着高超声速飞行器潜在的军事和经济价值受到世界各主要航空航天技术大国的重视，飞行器的热防护也随之成为亟待解决的问题。目前高超声速飞行器广泛采用被动热防护系统，而在航空航天结构材料轻质高强的发展要求下，人们的研究重点逐渐从传统的承载与隔热功能分离的热防护系统转向承载/隔热/防热功能一体化热防护系统。

气凝胶是一种新型隔热材料，它拥有极低的热导率和密度，在热防护系统中有着广泛的应用前景。然而由于气凝胶内部孔隙率极高，导致其脆性大、强度低，难以满足热防护系统的一体化设计趋势对隔热材料的力学性能要求，因此它在隔热领域的应用受到限制。在不影响其隔热性能的前提下，通过复合陶瓷纤维可提升气凝胶的强度和韧性，然而这种新型纤维增强气凝胶隔热复合材料相关的力学性能研究目前还鲜有报道，本文即在此背景下展开其力学行为的研究，以试验的方式认识它在室温及高温环境中，在各种类型载荷作用下的力学性能及变形特性。

首先，在室温环境下，考虑材料的结构特征，开展了纤维增强SiO2气凝胶的拉伸、压缩、剪切和弯曲试验，分析了四种类型载荷作用下该复合材料的力学行为，获得了完整的力学性能参数。通过室温试验，认识到：(1) 纤维增强SiO2气凝胶除厚度方向压缩存在塑性屈服外其他取向均呈现脆性；(2) 该复合材料面内性能接近，而厚度方向性能有较大差异，在工程应用中可视为横观各向同性材料；(3) 该复合材料具有拉压模量不同的特性，在应用时应考虑其材料非线性。

然后，进行了纤维增强SiO2气凝胶高温下的面内压缩和弯曲试验，并从微观结构角度对其宏观变形及面内压缩力学行为进行了分析，同时开展了纤维增强Al2O3气凝胶的蠕变试验，获得了丰富的高温试验数据。通过高温试验，发现纤维增强SiO2气凝胶经过高温环境内一小时的保温会发生厚度方向的尺寸收缩；其面内压缩性能及弯曲性能也随温度升高而得到强化，呈现出一种随温度升高而“硬化”的趋势；而纤维增强Al2O3气凝胶在室温条件下也存在蠕变现象，且蠕变现象随温度升高而越趋明显；蠕变量也随温度的升高、载荷的增大而相应升高；而密度的升高有助于提升该复合材料的抗蠕变能力，因此在不影响其隔热效果的前提下，可适当提高该复合材料的密度以增强其抗蠕变能力。

最后，考虑纤维增强气凝胶模量随温度升高而增大以及厚度方向受热收缩的特点，将试验规律运用在一种以纤维增强气凝胶为夹芯材料的缝合三明治一体化热防护结构的热力耦合有限元分析中，考察考虑纤维增强气凝胶特殊力学行为后结构内部的应力分布规律及变形特点。计算结果表明：纤维增强气凝胶能有效阻隔热量传导，使得热量由外面板传向内面板时产生一定程度的 “热延滞”，且这种效应会影响到纤维增强气凝胶内部的热应力分布；热量由外面板向内面板传递时，结构会整体向外膨胀，但最大位移出现在纤维增强气凝胶内。