陶瓷基复合材料在近地轨道空间环境下的性能演化机制

Continuous fiber reinforced ceramic matrix composite (CMC) is one of the most potential next generation hot-structure candidate materials. When serving as hot-structure components of low-orbit flying vehicles, CMCs are exposed to the low-orbit space environment, which is a combination of molecular oxygen (MO), atomic oxygen (AO), cryogenics, proton and electron radiations. Thus, the performance evolution mechanisms of CMCs under the low-orbit space environment are essential for the future application of CMCs. Aiming at two typical kinds of CMC (C/SiC and SiC/SiC), the current project is planned to study the performance evolution mechanisms of CMCs under the low-orbit space environment with various space environment simulators.

作为新一代热结构防热材料，连续纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料（CMC，包括C/SiC和SiC/SiC两类）在近地轨道空间服役环境中要遭受多种极端环境条件的单独或耦合作用，其性能演变规律对于飞行器热防护系统的未来应用具有重要参考意义。为此，本项目针对C/SiC和SiC/SiC两类复合材料，采用原子氧环境模拟器、分子氧氧化环境模拟器、低温环境模拟设备、以及空间辐照环境模拟设备等模拟典型空间环境条件，研究了CMC在原子氧环境、分子氧和原子氧叠加环境、空间低温环境，以及质子和电子辐照环境中的性能演化规律，揭示了上述典型空间环境条件对CMC的作用机制。

作为新一代热结构防热材料，连续碳纤维增韧碳化硅（C/SiC）和连续碳化硅纤维增韧碳化硅（SiC/SiC）陶瓷基复合材料在近地轨道空间服役环境中要遭受多种极端环境条件的单独或耦合作用，其性能演变规律对于飞行器热防护系统的未来应用具有重要参考意义。为此，本项目针对C/SiC和SiC/SiC两类复合材料，采用原子氧环境模拟器、分子氧氧化环境模拟器、低温环境模拟设备、以及空间辐照环境模拟设备等模拟典型空间环境条件，研究了CMC在原子氧环境、分子氧和原子氧叠加环境、空间低温环境，以及质子和电子辐照环境中的性能演化规律，揭示了上述典型空间环境条件对陶瓷基复合材料的作用机制。主要研究内容与结果如下：.（1）研究了原子氧（AO）对碳纤维、SiC纤维、C/SiC和SiC/SiC等复合材料的影响。结果表明，AO对碳纤维具有强烈的物理轰击和化学剥蚀双重效应；AO对SiC纤维的氧化剥蚀作用不明显；AO对C/SiC和SiC/SiC复合材料的影响只限于试样表面，对其力学性能的影响可忽略。.（2）研究了分子氧（MO）氧化和AO氧化对陶瓷基复合材料性能的影响。研究表明，MO可以在复合材料表面生成α-SiO2产物，但该产物并不能使复合材料免于后续氧化；经MO、MO和AO共同氧化后，C/SiC和SiC/SiC的弯曲强度均有显著下降。 .（3）研究了空间低温环境条件下陶瓷基复合材料性能演化及机制。研究表明，从室温降低至－100℃过程中，C/SiC材料弯曲强度先降低后升高，在－40℃时弯曲强度降至最低值，与RT条件下的强度值相比降低了约22.70%；而SiC/SiC材料的弯曲强度随温度的降低单调升高，在－100℃时升高幅度约为25.8%。.（4）研究了质子和电子辐照对碳纤维、碳化硅纤维、C/SiC和SiC/SiC等复合材料的影响。研究表明，碳纤维经过质子、电子辐照后强度衰减，强度数据分布趋于集中，脆性增加；质子与C和SiC原子核外电子的相互作用是该辐照过程的主要作用方式，空间环境中的质子、电子辐照对陶瓷基复合材料力学性能的影响可忽略不计。