临近空间高超声速飞行环境下ZrB2基超高温陶瓷材料氧化机制及速率研究

ZrB2基超高温陶瓷材料已成为未来临近空间高超声速飞行器的翼前缘、控制面、鼻锥体等关键热防护结构的首选材料之一。尽管目前各国对ZrB2基超高温陶瓷材料的抗氧化性能进行了较为广泛的研究工作，但是针对临近空间环境和高超声速飞行特征研究ZrB2基超高温陶瓷材料氧化行为的工作却鲜有报道。目前已经制造了一套模拟临近空间高超声速飞行环境的微波诱导等离子感应加热氧化设备，该设备可将气体分解成不同比例的气体碎片，如气体原子、气体等离子等；同时能在1000-2000℃下实现不同压力的精确调节。本项目将采用数值模拟计算、化学计算并结合实验测量，深入研究ZrB2基超高温陶瓷材料氧化与温度、压力、气体碎片组分之间的规律，揭示ZrB2基超高温陶瓷材料在临近空间环境下的氧化机制，并将建立多元氧化速率方程，为ZrB2基超高温陶瓷热防护结构在临近空间高超声速飞行环境下的氧化过程的预测提供实验手段和评估方法。

二硼化锆（ZrB2）基超高温陶瓷材料已成为未来临近空间高超声速飞行器的翼前缘、控制面、鼻锥体等关键热防护结构的首选材料之一。尽管目前各国对ZrB2 基超高温陶瓷材料的抗氧化性能进行了较为广泛的研究工作，但是针对临近空间环境和高超声速飞行特征研究ZrB2基超高温陶瓷材料氧化行为的工作却鲜有报道。过去三年中在自然科学基金青年项目资金的资助下，已经制造了一套模拟临近空间高超声速飞行环境的微波诱导等离子感应加热氧化设备，该设备可将气体分解成不同比例的气体碎片，如气体原子、气体等离子等；同时能在1000-2000℃下实现不同压力的精确调节。本项目采用数值模拟计算、化学计算并结合实验测量，深入研究了ZrB2基超高温陶瓷材料氧化与温度、压力、气体碎片组分之间的规律，揭示了ZrB2基超高温陶瓷材料在临近空间环境下的氧化机制，并将建立多元氧化速率方程，此外，氧化之后形成的氧化层对ZrB2基超高温陶瓷材料的力学性能和抗热冲击性能的影响规律也进行了深入研究和分析，这些研究成果为ZrB2基超高温陶瓷热防护结构在临近空间高超声速飞行环境下的氧化过程的预测提供实验手段和评估方法，并且为超高温陶瓷在未来高超声速飞行器上实际应用提供了必要的理论基础和实验依据。