一种C/MeC/SiC复合材料烧蚀后退量的评估方法技术

本发明专利技术涉及高超声速飞行器热防护技术领域，具体是一种C/MeC/SiC复合材料烧蚀后退量的评估方法。本发明专利技术提供的方法确定了所述复合材料在有无气流冲刷两类情况下材料的烧蚀后退量，对于有气流冲刷，先根据第一、第二物性参数及氧气摩尔流率获得其烧蚀后退速率，从而获得其烧蚀后退量。对于无气流冲刷，先根据第一物性参数和氧气摩尔流率获得在无气流冲刷条件下所述复合材料烧蚀形成的氧化层厚度，再根据第二物性参数和所述氧化层厚度获得其烧蚀后退量。实验表明，本发明专利技术所述的方法能够准确分析出复合材料的烧蚀后退量，具有通用性，能够覆盖不同组分的同一类型物质，该方法具有分析准确度较高、成本低、周期短、操作简便等优势。势。势。

【技术实现步骤摘要】
一种C/MeC/SiC复合材料烧蚀后退量的评估方法


[0001]本专利技术涉及高超声速飞行器热防护
，具体是一种C/MeC/SiC复合材料烧蚀后退量的评估方法。

技术介绍

[0002]以C/MeC/SiC复合材料为代表的高温陶瓷材料，具有耐高温、抗氧化、零/微烧蚀特点，近年来受到航天飞行器设计师青睐，被广泛用于新一代高超声速飞行器关键部位热防护。这类材料常用于温度高于2000℃热端部件上。该类陶瓷的烧蚀取决于氧的分压、表面温度和材料微观结构及成份，生成MeO2‑
SiO2抗氧化膜，氧化膜的存在阻止了氧气直接与表面材料的反应，氧气必须通过扩散穿过抗氧化膜才能到达原始材料表面发生氧化反应，从而实现零/微烧蚀。
[0003]检测C/MeC/SiC陶瓷材料的抗烧蚀性能，通常有试验考核和理论分析两类手段。试验测试是分析的基础，然而针对不同组分配比、温度和氧分压等情况，测试繁杂和耗时。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种C/MeC/SiC复合材料烧蚀后退量的评估方法，本专利技术提供的方法可以分析有无气流冲刷两种条件下不同组分配比的C/MeC/SiC三组元复合材料的烧蚀后退量，极大缩短设计周期。
[0005]本专利技术提供了一种C/MeC/SiC复合材料烧蚀后退量的评估方法，包括以下步骤：
[0006]S1)在气流冲刷条件下，对C/MeC/SiC复合材料烧蚀或模拟烧蚀，所述复合材料的表面形成包括Me
x
O
y<br/>和SiO2的氧化层；所述Me为金属；所述x的取值为1～2的整数，所述y的取值为2～5的整数；
[0007]S2)获取步骤S1)中所述复合材料烧蚀或模拟烧蚀时进入所述氧化层的氧气摩尔流率、所述氧化层的孔隙率和碳纤维的烧蚀速率；
[0008]S3)根据步骤S2)所述孔隙率，结合所述复合材料中的组分C、MeC和SiC的质量分数和摩尔质量、所述氧化层中的组分Me
x
O
y
和SiO2的摩尔质量和密度，通过公式1获得第一物性参数；
[0009][0010]其中，γ1为第一物性参数；φ为所述孔隙率；f
Cs
为所述复合材料中的组分C的质量分数；f
MeC
为所述复合材料中的组分MeC的质量分数；f
SiC
为所述复合材料中的组分SiC的质量分数；M
MeC
为所述复合材料中的组分MeC的摩尔质量；M
C
为所述复合材料中的组分C的摩尔
质量；M
SiC
为所述复合材料中的组分SiC的摩尔质量；为所述氧化层中的组分Me
x
O
y
的摩尔质量；为所述氧化层中的组分SiO2的摩尔质量；为所述氧化层中的组分Me
x
O
y
的密度；为所述氧化层中的组分SiO2的密度；
[0011]通过公式2获得第二物性参数；
[0012][0013]其中，γ3为第二物性参数；
[0014]根据所述第一物性参数和步骤S2)所述氧气摩尔流率，获得氧化层增厚速率；根据所述氧化层增厚速率和所述第二物性参数，获得MeC
‑
SiC基体烧蚀后退速率；根据所述MeC
‑
SiC基体烧蚀后退速率和所述复合材料中的组分C、MeC和SiC的质量分数，以及步骤S2)所述碳纤维的烧蚀速率，获得复合材料的烧蚀后退速率；
[0015]S4)根据步骤S3)所得的复合材料的烧蚀后退速率，结合所述复合材料的原始外形尺寸和所述复合材料的烧蚀时间，获得所述复合材料的烧蚀后退量。
[0016]本专利技术首先在气流冲刷条件下，对C/MeC/SiC复合材料烧蚀或模拟烧蚀。本专利技术所述C/MeC/SiC复合材料，又称C/MeC/SiC三组元陶瓷材料，其中所述Me为金属；具体而言，所述Me为Zr、Hf或Ta。本专利技术所述C/MeC/SiC复合材料在烧蚀过程中会发生氧化，在所述复合材料的表面形成一层包括Me
x
O
y
和SiO2的氧化层，所述氧化层为多孔固体氧化物，孔隙中填满玻璃态氧化物；所述x的取值为1～2的整数，所述y的取值为2～5的整数；在烧蚀或模拟烧蚀过程中，氧气必须通过扩散穿过所述氧化层才能到达所述C/MeC/SiC复合材料，即到达原始材料层，并与之反应。
[0017]当本专利技术所述C/MeC/SiC复合材料为C/ZrC/SiC复合材料时，在气流冲刷条件下，对C/ZrC/SiC复合材料烧蚀或模拟烧蚀，所述复合材料的表面形成包括ZrO2和SiO2的氧化层。本专利技术所述C/ZrC/SiC复合材料中ZrC组分的质量分数为f
ZrC
，SiC组分的质量分数为f
SiC
，碳组分的质量分数为f
Cs
＝1
‑
f
ZrC
‑
f
SiC
。当所述C/ZrC/SiC复合材料发生烧蚀时，在原始材料
‑
氧化层之间的界面会发生如下反应方程式1～反应方程式3的氧化反应：
[0018][0019][0020][0021]在氧化层外表面，存在液态层的挥发，主要为SiO2蒸发反应，具体反应如反应方程式4所示：
[0022]SiO2(l)
→
SiO2(g)反应方程式4；
[0023]基于同步氧化假设，则所述C/ZrC/SiC复合材料的烧蚀热化学反应如反应方程式5
所示：
[0024][0025]反应方程式5中，n1、n2、n3分别为原始材料的C组分、SiC组分和ZrC组分的物质的量的配比，与质量分数之间关系如公式a1～公式a3所示：
[0026][0027][0028][0029]当本专利技术所述C/MeC/SiC复合材料为C/HfC/SiC复合材料时，在气流冲刷条件下，对C/HfC/SiC复合材料烧蚀或模拟烧蚀，所述复合材料的表面形成包括HfO2和SiO2的氧化层。本专利技术所述C/HfC/SiC复合材料的烧蚀行为与C/ZrC/SiC复合材料烧蚀行为一致，氧化反应均能生成二价固态氧化物，只需将HfC的分子量和密度等替换ZrC的分子量和密度即可，不再赘述。
[0030]当本专利技术所述C/MeC/SiC复合材料为C/TaC/SiC复合材料时，在气流冲刷条件下，对C/TaC/SiC复合材料烧蚀或模拟烧蚀，所述复合材料的表面形成包括Ta2O5和SiO2的氧化层。本专利技术所述C/TaC/SiC复合材料的烧蚀行为有所不同，TaC氧化也形成固态多孔氧化层，抗烧蚀机理与ZrC和HfC类似，生成稳定的五价固态氧化物，TaC的氧化反应如反应方程式6所示：
[0031][0032]本专利技术所述C/MeC/SiC复合材料在烧蚀过程中，其各个组分均会发生质量损失。当所述C/MeC/SiC复合材料为C/ZrC/SiC复合材料时，其总的烧蚀质量流率为即原始材料单位本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种C/MeC/SiC复合材料烧蚀后退量的评估方法，其特征在于，包括以下步骤：S1)在气流冲刷条件下，对C/MeC/SiC复合材料烧蚀或模拟烧蚀，所述复合材料的表面形成包括Me
x
O
y
和SiO2的氧化层；所述Me为金属；所述x的取值为1～2的整数，所述y的取值为2～5的整数；S2)获取步骤S1)中所述复合材料烧蚀或模拟烧蚀时进入所述氧化层的氧气摩尔流率、所述氧化层的孔隙率和碳纤维的烧蚀速率；S3)根据步骤S2)所述孔隙率，结合所述复合材料中的组分C、MeC和SiC的质量分数和摩尔质量、所述氧化层中的组分MexO
y
和SiO2的摩尔质量和密度，通过公式1获得第一物性参数；其中，γ1为第一物性参数；φ为所述孔隙率；f
Cs
为所述复合材料中的组分C的质量分数；f
MeC
为所述复合材料中的组分MeC的质量分数；f
SiC
为所述复合材料中的组分SiC的质量分数；M
MeC
为所述复合材料中的组分MeC的摩尔质量；M
C
为所述复合材料中的组分C的摩尔质量；M
SiC
为所述复合材料中的组分SiC的摩尔质量；为所述氧化层中的组分Me
x
O
y
的摩尔质量；为所述氧化层中的组分SiO2的摩尔质量；为所述氧化层中的组分Me
x
O
y
的密度；为所述氧化层中的组分SiO2的密度；通过公式2获得第二物性参数；其中，γ3为第二物性参数；根据所述第一物性参数和步骤S2)所述氧气摩尔流率，获得氧化层增厚速率；根据所述氧化层增厚速率和所述第二物性参数，获得MeC
‑
SiC基体烧蚀后退速率；根据所述MeC
‑
SiC基体烧蚀后退速率和所述复合材料中的组分C、MeC和SiC的质量分数，以及步骤S2)所述碳纤维的烧蚀速率，获得复合材料的烧蚀后退速率；S4)根据步骤S3)所得的复合材料的烧蚀后退速率，结合所述复合材料的原始外形尺寸和所述复合材料的烧蚀时间，获得所述复合材料的烧蚀后退量。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氧化层增厚速率通过公式3获得；其中，v
oxide
‑
incr
为氧化层增厚速率；为氧气摩尔流率。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述MeC
‑
SiC基体烧蚀后退速率通过公式4
获得；v
materal
＝γ3v
oxide
‑
incr
公式4；其中，v
materal
为MeC
‑
SiC基体烧蚀后退速率。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述复合材料的烧蚀后退速率通过公式5获得；v
ceramic
＝(f
MeC
+f
SiC
)v
materal
+f
Cs
v
Cs
公式5；其中，v
ceramic
为所述复合材料的烧蚀后退速率；v
Cs
为碳纤维的烧蚀速率。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤S4)中，所述复合材料的烧蚀后退量通过公式6获得；R＝R0‑
∫v
ceramic
dt 公式6；其中，R为所述复合材料烧蚀后的外形尺寸；R0为所述复合材料的原始外形尺寸；t为所述复合材料的烧蚀时间。6.一种C/MeC/SiC复合材料烧蚀后退量的评估方法，其特征在于，包括以下步骤：S1)在无气流冲刷条件下，对C/MeC/SiC复合材料进行烧蚀或模拟烧蚀，所述复合材料的表面形成包括Me
x
O

【专利技术属性】
技术研发人员：周述光，国义军，曾磊，刘骁，沈斌贤，李强，葛强，徐强，田园，王飞飞，
申请(专利权)人：中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所，
类型：发明
国别省市：