高超声速飞行技术的发展对热防护材料提出了苛刻的要求,ZrB₂基超高温陶瓷因其优异的综合性能而备受关注,它能够胜任高超声速飞行器端头、翼前缘等关键部位的极端气动热环境,满足飞行器对热防护系统结构完整性的严格要求,是一种非常有前途的非烧蚀型超高温结构材料。高超声速飞行器在大气层中高速飞行,飞行器端头等壁面处空气受剧烈压缩形成激波,激波层内气体发生离解、电离形成气相原子和离子,研究发现在化学非平衡流场中飞行器壁面处气相原子的催化再结合反应释放的离解焓对飞行器表面的气动加热热流和气动热环境有较大影响,降低材料的表面催化特性可有效改善超高声速飞行器恶劣的服役环境和对热防护材料苛刻的要求。因此研究低催化特性的超高温陶瓷材料是非烧蚀型热防护材料发展的一个重要方向。本课题采用实验室自主设计的实验设备,研究了ZrB₂基超高温陶瓷在模拟真实服役环境下的表面催化效应和材料热响应。发展了基于热平衡原理的壁面温度响应法和基于等离子体光谱诊断技术的光化学法从而实现了从定性和定量两方面表征超高温陶瓷催化特性的目的。研究了不同材料组分、实验温度、气体压力等因素对材料催化特性的影响。实验结果发现在ZrB₂-20vol.%SiC-5vol.%W、ZrB₂-20vol.%SiC-5vol.%Cr、ZrB₂-20vol.%SiC、ZrB₂-30vol.%SiC这4种不同组分的超高温陶瓷材料中,ZrB₂-SiC-W材料的催化再结合效率最小,表现出了较低的催化活性和适宜的热响应特性;而ZrB₂-SiC-Cr材料化学反应剧烈,催化再结合效率高。同时经预氧化处理的试样其表面最高温度和表面温度波动幅度均小于原始试样,这是由于经预氧化处理生成的具有低催化活性的SiO2玻璃相改变了材料表面状态,使材料表现出了较低的催化特性。此外还考察了温度和气体压力等实验条件的变化对材料催化特性的影响。结果表明在500¹000°C温度范围内超高温陶瓷的催化特性随温度的升高而增大,催化再结合效率与温度之间遵循Arrhenius定律。而在50¹00Pa范围内材料的催化特性变化并不显著,50Pa实验条件下材料的催化再结合效率略大于70Pa和100Pa。