熱防護(hù)材料的研制是保障高超聲速飛行器在極端環(huán)境下安全服役的關(guān)鍵技術(shù)之一,美國、日本和俄羅斯等國大量研究表明,防熱材料表面催化再結(jié)合反應(yīng)最高可使得表面熱載荷增大50%,對熱防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)由顯著影響。防熱材料表面催化特性是一種本征屬性,減少因催化再結(jié)合反應(yīng)而產(chǎn)生的熱載荷需要從材料本身出發(fā),探究反應(yīng)機(jī)理,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)表面催化特性的主動(dòng)調(diào)控,降低熱防護(hù)系統(tǒng)的熱載荷。目前雖然可通過地面風(fēng)洞、Optical Emission Spectroscopy（OES）和Laser Induced Fluorescence（LIF）光譜診斷方法實(shí)現(xiàn)材料表面催化特性的實(shí)驗(yàn)測試,但是受到實(shí)驗(yàn)?zāi)芰�、成本的限�?僅能獲得部分典型溫度和壓力下的催化系數(shù),基于實(shí)驗(yàn)測得的離散的數(shù)據(jù)不能滿足實(shí)際工程的需求。因此,需要利用數(shù)值模擬方法獲得任意狀態(tài)下防熱材料表面催化系數(shù),以達(dá)到對飛行器服役過程中表面催化熱預(yù)報(bào)的目的。此外,防熱材料使用過程中伴隨的氧化反應(yīng)將嚴(yán)重影響表面催化效應(yīng)的表征與建模。以ZrB₂-SiC為例,ZrB₂-SiC表面在¹0^-1s內(nèi)... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：76 頁

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

氧化層結(jié)構(gòu)與成分、溫度的關(guān)系

合典型環(huán)境實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立與溫度、壓力相關(guān)的等效表征模型。在研究 ZrB2-SiC 材料催化特性關(guān)鍵控制機(jī)制。建立了考慮氧化反應(yīng)報(bào)模型，研究結(jié)果直接應(yīng)用于氣動(dòng)熱計(jì)算，可大幅度提升熱防護(hù)系能力，方法和模型可擴(kuò)展至其他防熱材料體系，同時(shí)還可為火星探 CO2離解催化效應(yīng)提供實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和理論基礎(chǔ)。面催化效應(yīng)研究進(jìn)展面催化再結(jié)合反應(yīng)原理面催化反應(yīng)都發(fā)生在表面的“活性位點(diǎn)”上，考慮整個(gè)催化反應(yīng)過 5 個(gè)與時(shí)間相關(guān)的反應(yīng)機(jī)制：離解原子擴(kuò)散到材料表面，在活性位或化學(xué)吸附，兩個(gè)吸附的原子之間再結(jié)合(Langmuir-Hinshelwood原子與氣相中離解原子結(jié)合(Eley-Rideal, E-R)，解吸附后離開表面相中，如圖 1-2 所示。

2iwMkkT iM 為原子的原子量，T 為材料催化壁面的溫度， k 為波爾茲曼常數(shù)。而催化系數(shù)的直接測量，往往采用微觀的原子損耗法測量材料表面參與合反應(yīng)原子數(shù)量。.2.1 基于能量法的地面風(fēng)洞測試方法由于催化再結(jié)合反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生催化熱，基于宏觀的熱平衡方程，得到材化反應(yīng)熱，進(jìn)而通過材料表面溫度進(jìn)而得到材料催化速率[19]。由于風(fēng)洞的特殊性，基于能量法的測試主要集中在電弧風(fēng)洞和馮·卡門風(fēng)洞。1999 年，日本國家航空航天實(shí)驗(yàn)室 M.Mizuno[20]等人利用 NAL/NASDA 電弧風(fēng)洞，在離解空氣流中，測試了 C/C 材料涂覆 SiC 涂層的熱防護(hù)材反應(yīng)速率。結(jié)果表明材料主動(dòng)氧化時(shí)再結(jié)合反應(yīng)速率比被動(dòng)氧化時(shí)大。加特大學(xué)的 Pidan 教授[21-22]，利用 PWK3、IPG3 高頻等離子體風(fēng)洞，在射流環(huán)境下，測試了 SiC 材料表面催化特性。結(jié)果表明，在 356~950 3~1851 K 下，SiC 催化系數(shù)隨溫度升高而逐漸增大，如圖 1-3 所示。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]火星探測器表面材料催化特性數(shù)值模擬研究[J]. 劉慶宗,董維中,丁明松,高鐵鎖,江濤,傅楊?yuàn)W驍.  宇航學(xué)報(bào). 2018(08)
[2]空天飛行器用熱防護(hù)陶瓷材料[J]. 陳玉峰,洪長青,胡成龍,胡平,李伶,劉家臣,劉玲,龍東輝,邱海鵬,湯素芳,張幸紅,周長靈,周延春,朱時(shí)珍.  現(xiàn)代技術(shù)陶瓷. 2017(05)
[3]“近空間飛行器的關(guān)鍵基礎(chǔ)科學(xué)問題”重大研究計(jì)劃結(jié)題綜述[J]. 杜善義,方岱寧,孟松鶴,謝惠民,詹世革,張攀峰,孟慶國.  中國科學(xué)基金. 2017(02)
[4]原子氧對ZrB2-SiC陶瓷復(fù)合材料氧化行為的影響[J]. 金華,孟松鶴,解維華,曾慶軒,牛家宏.  復(fù)合材料學(xué)報(bào). 2013(S1)
[5]美國的高超聲速飛行器發(fā)展計(jì)劃及關(guān)鍵技術(shù)分析[J]. 蔡亞梅,汪立萍.  航天制造技術(shù). 2010(06)
[6]臨近空間高超聲速飛行器關(guān)鍵技術(shù)及展望[J]. 黃偉,羅世彬,王振國.  宇航學(xué)報(bào). 2010(05)
[7]臨近空間浮空器總體參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J]. 王鋼林,羅明強(qiáng),武哲.  航天控制. 2008(02)
[8]高超聲速飛行器的應(yīng)用及關(guān)鍵技術(shù)[J]. 笑天.  現(xiàn)代軍事. 2004(12)
[9]碳化硅（SiC）基材料的高溫氧化和腐蝕[J]. 潘牧,南策文.  腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù). 2000(02)

博士論文
[1]防熱材料表面催化特性測試與評價(jià)方法研究[D]. 金華.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2014



本文編號(hào)：3542394