超高温氧化环境下高温热防护材料与结构的多参量实验集成方法和技术研究

Near-space hypersonic vehicles are subjected to complex environment including physics, chemistry and stress under high temperatue during high speed flight, which brings forth serious challenges and harsh demands for the thermal protective materials and structures of the aircrafts. On the basis of the requirement of ‘integration projects’ in GUIDANCE and the early research work of general programs and key projects, the integrated research is focused on experimental methods and techniques of thermal protective materials and structures such as C/C, C/SiC and thermal protective coatings under ultra high-temperature by means of interdisciplines and complentary advantages. The emphasis is to solve the critical issues, such as development of new sensor technologies, non-contact measurement methods and characterization techniques of critical parameters with temperature over 1500 ℃. The goal is to establish the experimental methods and platforms to characterize the key parameters of thermal protective materials and structures in mechanical/thermal/oxidizing coupled environment. The efforts will be devoted to clarifying the physical and chemical process and failure mechanism of materials and structures under complicated high-temperature environment and providing experimental data for the optimum design of thermal protective materials and structures. It is expected that a group of excellent talents and research teams for fundamental researches will be cultivated and a good foundation will be established for great-leap-forward developments of thermal protective materials and structures of near-space hypersonic vehicles.

近空间高超声速机动飞行，由于超高温下的复杂热物理化学和应力环境，对飞行器中的热防护材料和结构提出了严峻的挑战和苛刻的要求。本项目根据《指南》中“集成项目”要求，在重大研究计划前期“培育项目”和“重点支持项目”相关研究的基础上，通过学科交叉、优势互补，开展碳/碳、碳/碳化硅、热防护涂层等高温热防护材料和结构的集成和创新研究，重点解决高于1500℃的新型传感、非接触测量方法、关键参量表征技术等关键共性的问题，最终建立超高温氧化环境下热防护材料与结构的多参量测试方法和平台，揭示材料和结构在超高温复杂环境下物理化学过程及失效机理，为热防护材料和结构的优化设计提供实验依据；提供原创的超高温演化环境下的多参量测试技术和硬件系统；培养和凝聚一批从事基础研究的科研人员和研究团队，为我国近空间高超声速飞行器热防护材料和结构跨越式发展奠定基础。

近空间高超声速飞行器技术作为综合性高新技术，是人类实现探索、开发和利用空间资源的有效手段，是带动综合国力提升的牵动性技术，也是目前国际竞相争夺的技术焦点之一。近空间高超声速在高马赫数的飞行过程中，由于气动加热，其关键部件的温度一般高于1500°C。超高温下的复杂热物理化学和应力环境，对飞行器中的热防护材料和结构提出了严峻的挑战和苛刻的要求。因此，测量与表征热防护材料的特征参数和性能、充分认识材料与环境的耦合作用机制以及失效机理，是减少材料失效、提升高超声速飞行器寿命和可靠性的必要途径。在本项目的资助下，项目组联合国内多家单位，通过学科交叉、优势互补，对“1500°C以上高温力学传感与非接触测量方法”、“多场耦合服役环境下的力/热/氧化等关键参量表征技术”、“材料和结构在超高温复杂环境下物理化学过程、失效机理以及多参量失效评价集成方法”等内容进行了系统的研究，取得了重要的研究成果。主要包括：1、发展了高温2D/3D数字图像相关、高温数字梯度敏感方法、高温光栅应变计、高温云纹干涉、高温相干梯度敏感方法等多种非接触高温力学传感技术和测量方法，实现了最高1550°C高温环境下的材料变形测量，为极端服役环境下材料性能的研究提供了丰富的手段；2、提出了高温虚拟场方法、高温陶瓷材料性能预报方法等多场耦合服役环境中材料力、热关键参数反演方法，为超高温防热材料性能的表征评价提供了有效的途径；3、自主研制了1800°C有氧环境加热力学试验机、2000°C多气氛（氧化、惰性）感应-环境复合型热冲击装置、2600°C真空（惰性气体）环境材料力学性能测试系统、超高温陶瓷材料通电快速升温/降温试验系统等硬件系统，为多场耦合环境下关键参量的测试提供了重要的平台；4、研究了典型高温热防护材料在极端环境下的热响应及氧化烧蚀行为，获得了不同材料的失效模式和适用范围，揭示了超高温陶瓷材料在服役环境中的热响应和氧化的机理以及控制因素，给出了超高温陶瓷复合材料由非烧蚀—烧蚀转变的临界状态判据，为防热材料体系的优选和性能评估提供了有力的理论和技术支撑。本项目发展了更为科学、精确的高温材料性能测试与表征技术，形成了有效的硬件支撑平台，建立了热防护材料和结构失效和破坏的评价体系，为热防护设计、材料工艺优化、性能改善和使用性能评价等提供了方案和准则，同时，有效地促进了学科交叉和具有不同研究方向团队的协同创新能力。