超高温陶瓷材料催化特性及机理研究

鉴于非烧蚀型防热材料"表面催化特性"对飞行器表面气动加热、抗氧化性、能量传导与耗散效率等方面的重要性，本项目开展超高温陶瓷材料表面催化特性的试验研究，通过理论、试验与计算相结合的方法建立超高温陶瓷材料表面催化特性测试系统、试验技术和数据处理方法，获得超高温陶瓷材料表面催化特性，研究催化复合效率对气动加热的影响及天地换算技术，为热防护系统的优化设计提供材料催化特性数据和理论基础；弄清超高温陶瓷材料的表面催化机理，获得降低催化复合效率的途径，为非烧蚀型防热材料的性能的改进提供理论指导。

本课题以高超声速飞行器头锥、翼前缘等关键热端部件对超高温陶瓷材料的需求为背景，开展了超高温陶瓷材料在模拟高焓、低压、化学非平衡流的服役环境下表面催化效应的研究，并在超高温陶瓷材料表面催化特性的表征、催化机理的揭示等科学问题的基础理论和实验创新上获得了显著的成果。通过2011至2013年三年的实验和基础理论研究，自主搭建了催化实验地面评价设备；发展了基于热平衡原理的壁面温度响应法和基于等离子体光谱诊断技术的光化学法，实现了超高温陶瓷材料表面催化特性的定性和定量表征；同时利用等离子体风洞，通过流场诊断结合数值模拟的方法分析了超高温陶瓷材料对流场的热响应，并计算了材料的催化再结合系数；揭示了不同材料组分、表面微结构等材料特征参数及表面温度、气体压力等环境特征参数对超高温陶瓷材料表面催化特性的影响规律；探讨了超高温陶瓷材料的高温氧化行为对其表面催化效应的影响，明确了材料对流场的热响应是氧化、催化、辐射等共同作用的结果；揭示了气相原子与材料表面在分子尺度上催化再结合反应过程，研究了不同反应机制下材料催化特性及材料催化再结合系数和气体压力、温度之间的定量关系；通过实验评价、仿真模拟和理论分析相结合的方法揭示了超高温陶瓷材料催化反应机理，为非烧蚀型热防护材料设计、组分优选及气动热载荷的精确预测提供理论基础和技术支撑。