可重复使用C/SiC多次高温烧蚀微结构演变及微观—宏观力学性能衰减机制研究

Reusable aircraft is currently the focus of international space technology competition, and C/SiC is one of the key thermal protection materials for the new generation reusable aircraft. However, multiple high temperature ablation can cause the evolutions of microstructure/micro-mechanical properties of C/SiC, leading to the attenuation of the macro-mechanical properties. This project focuses on the key issue of “Microstructure evolution and micro/macro mechanical degradation mechanisms of reusable C/SiC thermal protection material after multiple thermal ablation”, and carries out repeated wind tunnel ablation test to study firstly the evolution of C/SiC microstructure (micro-porosity, crystal configuration) after multiple thermal ablation. After that, micro-mechanical techniques (nanoindentation, fiber push-in) were employed to study the changes in the micro-mechanical properties of carbon fiber, SiC matrix and C/SiC interface after multiple thermal ablation. Finally, macro-mechanical techniques were used to evaluate the macro-mechanical properties of C/SiC after multiple thermal ablation. The attenuation mechanism of macro-mechanical properties were discussed. Specially, the fracture mode and crack propagation mechanisms were unraveled by combining the microstructure and micro-mechanical properties of C/SiC after multiple thermal ablation. This project can ultimately provide theoretical support for the structural design, service performance evaluation, and reusability prediction of reusable C/SiC thermal protection materials.

可重复使用飞行器是目前国际空间技术竞相争夺的焦点，C/SiC是新一代可重复使用飞行器表面关键防热材料之一。然而C/SiC多次高温烧蚀可造成微结构/微观力学性能的演变，导致C/SiC宏观力学性能的衰减。本项目围绕“可重复使用C/SiC多次高温烧蚀微结构演变及微观—宏观力学性能衰减机制”这一关键问题，开展重复风洞烧蚀试验，研究多次高温烧蚀C/SiC烧蚀微孔隙、晶体构型等微观结构演变规律；采用纳米压痕、纤维顶入等微纳力学实验方法，研究多次高温烧蚀对C/SiC碳纤维、SiC基体以及纤维/基体界面微观力学性能的影响机制；最后结合宏观力学测试方法评价多次高温烧蚀C/SiC宏观力学性能，研究力学性能随烧蚀次数衰减规律，揭示微结构和微观力学性能演变对多次高温烧蚀C/SiC失效模式、裂纹扩展机制的影响，最终为可重复使用C/SiC防热材料的结构设计、服役性能评估、可重复使用次数预测等工作提供理论支撑。

陶瓷基防热材料是未来可重复使用空天飞行器热防护系统的重要组成部分。在高马赫数长航时飞行及重复使用服役环境，陶瓷基防热材料将经受严苛的气动加热、氧化烧蚀及交变载荷等极端力—热环境，可能引发防热性能及力学可靠性随重复使用时间/次数的衰退。本项目通过高频等离子体风洞模拟高马赫数飞行重复使用服役工况，深入研究了离解空气等离子体中Cf/SiC等陶瓷基防热材料动态氧化机理及烧蚀机制，评估了反复高温烧蚀过程氧化微结构演变特征，并获得了不同等离子体来流及重复使用次数下微观、细观及宏观力学性能。研究表明：SiC基防热材料在800~1600℃氧化温度、1~5kPa等离子体环境将发生主被动氧化，其中1kPa环境主动氧化使SiC仅在1370℃即发生显著烧蚀，通过表征不同温度、氧分压氧化微结构特征，首次定义了离解等离子体环境SiC主被动氧化服役区间；在低压等离子体环境（~10 kPa），当氧化温度超过1600℃时SiC基防热材料极易发生烧蚀，临界烧蚀温度与表面粗糙度密切相关，提出了一种表面缺陷诱发的SiC烧蚀新机制，发现带SiC涂层的SiCf/SiC材料临界烧蚀温度高达~1910℃（10 kPa等离子体环境测定），为公开文献报道的最高温度；SiC基防热材料中ZrB2超高温陶瓷的引入，可以拓宽等离子体环境抗氧化膜的耐温区间（800~2400℃），根本原因是B2O3、SiO2及ZrO2的存在使氧化表面形成多层抗氧化膜结构；在高超声速热环境SiC安全服役温度--压力区间，重复使用及反复高温氧化仍未显著改变SiC基防热材料的氧化微结构，对Cf/SiC材料而言，热障涂层、界面强度等微观力学性能以及细观结构在多次重复使用过程中未见变化，宏观拉伸强度也未见衰减，证明在高超声速安全服役区间SiC基防热材料仍具有优异的可重复使用性能。