超燃冲压发动机用新型主被动防热结构一体化材料设计与环境响应机理

针对超燃冲压发动机的发展对防热材料及其结构提出的越来越高的要求，立足已有技术基础，开展含异质元素聚碳硅烷的合成与转化、PIP法C/SiC-M（Zr/Hf/Ta）复合材料的设计与制备、主动冷却结构的设计与实现、环境响应机理等方面的基础研究。项目的完成，将合成出符合PIP工艺要求的含异质元素聚碳硅烷，制备出高性能C/SiC-M复合材料，形成耐超高温C/SiC-M复合材料的设计原则；揭示复合材料中孔隙的形成机理和结构演变规律以及与传热传质特性的关系，为主动发汗冷却结构的设计与实现奠定理论基础；探明C/SiC-M复合材料在服役环境中的响应机理。基于项目成果，将能实现轻质陶瓷复合材料优异被动防热能力与主动冷却结构优势的结合，从而满足超燃冲压发动机全速域工作时的热防护要求，符合超燃冲压发动机热防护领域的发展方向。因此，开展本项目的研究意义重大，具有重要的学术价值和应用价值。

围绕超燃冲压发动机热防护要求，基于已有技术基础，提出了“通过含异质元素先驱体在C/SiC复合材料中引入超高温相以提高被动防热能力”以及“通过控制孔隙结构以实现主动发汗冷却”的研究思路，从而实现发动机全速域热防护的目标。. 基于分子设计结果，合成出多种含异质元素陶瓷先驱体。在详细表征先驱体结构的基础上，提出了合成机理。同时，详细研究了先驱体的陶瓷化行为与目标陶瓷的组成和结构。结果表明，异质元素的引入提升了目标陶瓷的耐高温能力。. 基于前期对碳纤维损伤机理的认识，通过热处理和纤维表面涂层实现了界面状态调控，采用先驱体转化工艺制备出具有较好力学性能的新型含异质元素C/SiC复合材料，并呈现出比C/SiC复合材料更好的耐超高温(>1600℃)氧化能力与抗烧蚀性能。同时，针对其它增强方式开展了含超高温陶瓷粉先驱体泥浆法、低温反应熔渗法制备含异质元素C/SiC复合材料的工艺研究，在明显提升抗烧蚀性能的同时兼具良好的力学性能。. 超高温陶瓷相的引入能显著提高C/SiC复合材料在超高温下的强度保留率，其中的杂质在高温下的分解是造成复合材料力学性能下降的主要原因，但反而能提高抗烧蚀性能。在不同工况的氧乙炔焰下考察了复合材料的抗烧蚀性能，分析了烧蚀机理。结果表明，超高温陶瓷相的引入对于提高C/SiC复合材料的抗烧蚀性能效果十分明显，提高程度随着超高温陶瓷相的不同、工况的不同而有所差别。氧乙炔焰烧蚀主要为热化学烧蚀，同时伴有一定的气流冲刷和机械剥蚀。试样在考核环境下能否保持较好的强度，并同时保持较好的抗氧化性能显得尤为重要。. 着重探讨了先驱体转化法复合材料中孔隙结构的特点、形成原因、演变规律与控制技术，阐明了孔隙结构对复合材料传热、传质特性的影响。在此基础上，利用复合材料中的贯通孔初步实现了主动发汗冷却结构，并呈现出较好的冷却效果。. 分别在超高温高速气流、超高温富氧火焰、等离子电弧风洞、空间应用环境中，考察了复合材料的响应行为与失效机制，为复合材料的实际应用与性能优化打下良好基础。. 着眼重大需求，复合材料内衬通过了发动机主被动防热方案的原理验证考核，还解决了直角凹腔、大尺寸薄壁结构的精密成形技术，为复合材料在超燃冲压发动机中的工程应用奠定坚实基础。. 总之，本项目按照研究计划顺利完成了研究内容，达到了预期目标。