SiC界面热化学反应演化响应机理研究

超高温陶瓷是保障飞行器在极端热环境下安全服役的理想热防护材料之一,其中SiC组分由于其优异的力热性能已成为陶瓷基体或抗氧化涂层领域的研究热点。但由于目前尚未能清晰认知其在高温边界层内界面热响应演化的复杂机理,限制了其热防护性能设计的进一步提升。为在微观尺度上研究SiC复杂界面演化及热响应机制提供新的可能,采用基于反应力场的反应分子动力学模拟方法,模拟了SiC界面的高温演化过程,并探究了界面在温度和压强变化下的热响应机理,包括热氧化反应及升华等;计算了典型工况下SiC界面的氧化反应速率、升华速率及烧蚀速率,并将计算获得的烧蚀后退速率结果与文献实验结果进行了对比,发现误差在10%以内,进一步验证了该方法在材料界面热化学反应定量计算方面应用的可行性。

基于气固界面热化学反应模型的热防护材料烧蚀过程多尺度耦合计算方法

在高超声速流动条件下,由于高温热化学非平衡效应及气固界面非均相化学反应等复杂因素,考虑防热材料气固边界化学反应过程对气动热环境影响的精细化数值预测十分困难。特别是针对烧蚀型热防护材料,由于在气固界面处会与非平衡来流发生物理化学相互作用,产生热阻塞、质量引射等复杂壁面效应,严重制约了材料热响应及气动热环境的预测精度。对此,构建了一种热防护材料烧蚀过程的多尺度耦合计算方法,不仅能够获得基于材料烧蚀热化学反应动力学界面模型的烧蚀后退速率及外形瞬态变化过程,同时还可获得材料烧蚀产物及化学反应热边界对气动热/力环境的影响。首先对该多尺度耦合模拟方法的构建及原理进行了详细描述,然后以典型酚醛树脂基复合材料及钝头体外形为例,获得了其典型飞行工况下烧蚀后退速率及气动热环境计算结果,最后通过将计算结果与文献数据进行对比,验证了该多尺度耦合计算方法的有效性。本文构建的这种基于气固界面热化学反应模型的多尺度耦合模拟方法不仅适用于酚醛树脂复合材料研究,还可以拓展应用至其他防热材料及气动环境条件,为提高防热材料高温热响应及高超声速气动热特性的预测精度提供了一定的理论及方法基础。