气动加热环境下超高温陶瓷改性碳/碳复合材料重复使用氧化烧蚀行为研究

Numerical prediction of oxidative ablation behavior for ultra-high temperature ceramics (UHTCs) modified carbon/carbon (C/C) composites under cyclic aerodynamic heating conditions is challenging. Based on the theory of chemical kinetics and thermodynamics, the project is proposed to build more realistic models of oxidative ablation response for the UHTCs modified C/C composites in order to study the ablation mechanism and the intrinsic connection between microstructure characteristics and ablation properties. Through the experiment, CFD and FEM simulation methods, thermal response and recession rate/mass loss rate of the UHTCs modified C/C composites under cyclic aerodynamic heating conditions will be simulated. The established models will be verified and validated by the experimental results obtained from arc-jet tunnel tests. Thus a prepared tool will be developed to predict thermal response for the UHTCs modified C/C composites according to hypersonic vehicle trajectory. Effect of the surface radiation, catalysis and the mass injection of gas oxides will be investigated. Coupling effect of material surface and the environment will also be dissused. It will promote the application of the UHTCs modified C/C composites as reusable high temperature thermal protection structures in our future hypersonic vehicles.

针对重复气动加热条件下超高温陶瓷改性碳/碳(C/C)复合材料氧化烧蚀行为模拟研究的难题，基于反应动力学、热力学等基础理论，本项目提出建立超高温陶瓷改性C/C复合材料的氧化烧蚀模型，揭示材料的烧蚀机理以及微观结构与烧蚀性能的关系。结合实验与CFD、FEM等数值模拟手段，建立重复气动加热条件下材料的热响应机理模型，利用电弧风洞地面模拟实验数据完成热响应模型的修正和验证，初步实现不同重复使用条件下超高温陶瓷改性C/C复合材料的质量损失、表面温度等热响应性质的有效预测，探讨材料表面辐射、催化以及气态氧化物引射等因素对重复使用热响应的作用机理，揭示重复气动加热条件下材料表面物理化学演变规律和失效机制，为新型防热材料的重复使用性能评价以及工程应用提供理论基础。

针对重复气动加热条件下改性C/C复合材料氧化烧蚀行为模拟研究的难题，基于反应动力学、热力学等理论基础，本项目建立了改性C/C复合材料的氧化烧蚀模型，结合实验与CFD、FEM等数值模拟手段，建立重复气动加热条件下材料的热响应机理模型，利用等离子烧蚀、氧乙炔烧蚀等方法，完成了热响应模型的修正与验证。研究结果表明：若来流状态相对较高，材料处于烧蚀状态，则其表面氧化层难以累积，在重复使用条件下一般在相对较短和较低温度的冷却时间段内形成，因此多在微米量级且随重复使用次数变化不大；而烧蚀量和表面温度方面，受来流参数、烧蚀热效应等综合因素影响，随重复使用次数变化不大；由于出现了烧蚀，背面温度随重复使用次数增加明显。目前的模型方法基于宏观层面的材料氧化烧蚀模型建立，暂时无法考虑微结构变化在重复使用过程中的效应。本课题研究成果为新型防热材料的重复使用性能评价以及工程应用提供理论基础。