基于高能激光的超高温陶瓷基复合材料烧蚀机理研究

当前超高温陶瓷基复合材料（UHTCMCs）研究中存在两大问题：（1）考核条件不能覆盖防热材料应用环境（2）烧蚀及防护机理不明确，这已限制了UHTCMCs的发展与应用。本项目将针对UHTCMCs，利用高热流密度环境激光模拟系统中的高能激光作为独立热源提供可变的热流密度，利用小口径拉瓦喷管获得小流量马赫数可变的高速气流，通过控制独立气源调整氧化气氛，将热流密度、氧化气氛和高速气流三种因素分解，首先在材料表面上单独施加每种因素，并逐步提高因素应力水平，确定每种因素导致UHTCMCs复合材料损伤的机理；然后逐步叠加各因素，确定UHTCMCs复合材料烧蚀的主要因素和各因素的耦合作用机制，并确定烧蚀机理；最后基于改性C/SiC复合材料的烧蚀结果验证烧蚀机理。本项目的研究成果可促进UHTCMCs的研制及其在高超声速飞行器中的应用，本项目的研究方法可推广到其他高温材料的研究，完善材料烧蚀理论。

本项目完成了SiHfC、C/SiC、SiC-ZrC-C/C和C/SiBHfCN等材料的激光烧蚀，研究了激光能量、表面粗糙度、氧分压、气体流速对材料烧蚀行为的影响，确定了复合材料的烧蚀机理以及材料组分和环境参数对烧蚀机理的影响。通过有限元方法计算了C/SiC复合材料激光烧蚀的温度分布、烧蚀宽度和烧蚀深度，计算结果与试验结果具可比性。本项目共发表论文6篇，其中SCI收录4篇，EI收录6篇。参加国际会议2次，国内会议1次。具体研究进展如下：.（1）模拟计算了2D C/SiC复合材料在不同激光功率下的表面温度分布，当激光功率达到500W时，光斑中心最高温度达到3520.13℃，高于碳纤维的升华点以及SiC的分解温度。辐照中心区的升温速率远高于边缘位置，材料表面将承受剧烈的热震过程。激光辐照时的有效作用范围随着激光功率的增大也会扩大，但增长速率逐渐减小。.（2）激光烧蚀实验结果显示，C/SiC复合材料在氩气和空气环境下的烧蚀机理都是热物理、热化学和热震损伤综合作用的结果。在烧蚀中心处，C/SiC复合材料的烧蚀主要以碳纤维升华、SiC的热解以及碳纤维的热震断裂为主。在烧蚀中心与边缘过渡区，烧蚀主要以SiC的热解以及涂层开裂损伤为主，在空气环境下氧化作用在该区域的影响显著。在烧蚀边缘区，SiC涂层无明显损伤，但SiC颗粒会发生生长。.（3）激光烧蚀首先发生在2D C/SiC复合材料表面的微孔处。输出功率的提升会显著增大其烧蚀程度。氩气环境中，烧蚀宽度随输出功率的升高而增大，但增长速率逐渐趋于平缓，而空气环境中的氧化作用会略微加剧宽度方向上的烧蚀程度。烧蚀深度随输出功率的升高呈快速线性增长，氧化放热过程会促进烧蚀中心区的激光等离子屏蔽效应，导致相同功率条件下，空气环境中的烧蚀深度略低于氩气环境中的结果。.（4）降低表面粗糙度可略微降低材料的烧蚀宽度以及烧蚀失重，并显著提升残余抗弯强度，但对烧蚀深度和弯曲断裂行为也无显著影响。此外，烧蚀坑外缘因激光烧蚀而产生的裂纹可能在加载过程中成为断裂源，并对材料的断裂行为产生显著影响。.（5）SiC-ZrC超高温涂层可显著降低C/C复合材料的烧蚀率，超SiBHfCN高温陶瓷基体也可显著降低C/SiC的烧蚀率。.（6）高速空气能加速超高温陶瓷的氧化以及氧化物和炭相的挥发，从而加速超高温复合材料的烧蚀速度。