典型SiC基防热材料氧化机理及主/被动转变边界研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:chrisfei
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当前主流的超高温防热材料,如C/C复合材料和超高温陶瓷等,SiC作为其基体或抗氧化涂层的关键组分,显著提高了防热材料的抗氧化性能,SiC被动氧化生成的Si O2可覆盖在材料表面和填充材料裂缝和孔隙,承担着防热材料在1650°C以下温域的抗氧化任务,然而高超声速飞行器飞行空域的扩展使得氧化环境发生改变,飞行器端头、翼前缘等关键部位防热材料面临的高温、低压、原子氧介质,更易导致SiC发生主动氧化,丧失生成Si O2保护层的能力。因此,明确防热材料中SiC组分主/被动氧化转变边界是其工程应用的前提。已有许多研究人员通过实验测试得到了SiC材料的主/被动氧化的温度和氧分压数据点,从总体来看大部分实验数据与理论边界是一致的,然而由于测试条件和技术的差异,各研究人员使用的研究转变的实验方法不同,且测试效率普遍不高,导致数据十分有限。此外,SiC基材料的发生被动氧化的防护阈值通常默认参考SiC材料的研究,根据转变边界的理论计算方法,材料表面气体边界层内气体的扩散过程以及表面乃至边界层中各气体分压之间的关系决定了材料的主/被动氧化转变边界,因此SiC基材料中SiC组分实际的转变边界与纯SiC材料可能存在差异。基于此,本文以SiC和C/SiC、Cf/ZrB2-SiC两种典型SiC基防热材料为研究对象,开展其主/被动氧化转变边界的研究,主要有以下几个方面的内容:(1)基于ReaxFF的SiC氧化反应数值模拟应用ReaxFF反应力场分子动力学模拟方法,计算不同温度下SiC与氧原子的氧化反应过程,观察氧化的扩散和反应机制,对反应后形成的氧化层结构进行分析,从分子层面探究氧原子与SiC相互作用机制,进一步提升对SiC氧化反应机理的认知。(2)SiC材料主/被动氧化演化分析研究SPS烧结制备的高纯度SiC材料在原子氧环境的氧化行为,结合发射光谱法,测定SiC在1200~2000°C、20~200Pa参数范围内的氧化转变边界;根据转变边界的实验结果,选取典型主/被动氧化反应的条件,开展SiC在主动和被动氧化状态的氧化实验,探究材料不同氧化状态的氧化演化规律,以揭示主/被动氧化反应机理。(3)典型SiC基防热材料氧化转变边界分析研究C/SiC和Cf/ZrB2-SiC两种典型防热材料在原子氧下的氧化行为,测定其氧化转变边界条件,与纯SiC的边界条件进行对比,分析造成差异的原因;开展两种材料不同氧化状态的原子氧氧化实验,通过材料氧化后的微观形貌分析SiC组分在典型防热材料的氧化机制。本文所开展典型SiC基防热材料主/被动氧化转变边界实验测试以及氧化机理的研究对于SiC基材料的防热设计和预测分析具有重要的工程应用意义。
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