一种C/MeC/SiC复合材料烧蚀后退量的评估方法与流程

一种c/mec/sic复合材料烧蚀后退量的评估方法
技术领域
1.本发明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。


背景技术：

2.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meo
2-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。
3.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。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明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，本发明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。
5.本发明提供了一种c/mec/sic复合材料烧蚀后退量的评估方法，包括以下步骤：
6.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
oy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；
7.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；
8.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
oy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；mc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
oy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
oy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]
本发明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。本发明所述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。本发明所述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
oy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]
当本发明所述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。本发明所述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]
当本发明所述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。本发明所述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]
当本发明所述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。本发明所述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]
本发明所述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面积的质量损失率，单位为kg
·
m-2
·
s-1
；基于材料各成分同步氧化假设，根据反应方程式1～反应方程式5，各组元的质量流率如公式a4～公式a12所示：
[0033][0034][0035][0036]
[0037][0038][0039][0040][0041][0042]
公式a11中的负号表示烧蚀过程中氧气为反应物而非生成物；公式a4～公式a12中，下标为碳组分，表示该组分的质量损失率；为单位面积的sio2的蒸发摩尔流率，单位为mol
·
m-2
·
s-1
；为sio2的蒸发质量流率；sio2存在挥发的条件是要求其仍有剩余。
[0043]
sio2在流动环境中可以认为该气态组分迅速挥发掉，则sio2的蒸发摩尔流率可采用langmuir法则得到，具体如公式a13所示：
[0044][0045]
其中，为氧化层中的组分sio2的摩尔质量，单位为kg
·
mol-1
；r为通用气体常数，取值为8.3145j
·
mol-1
·
k-1
；tw为壁面的绝对温度，单位为k；pv为sio2的蒸气压，单位为pa，可根据janaf热化学表结合公式a14获得；
[0046][0047]
α反映气体在物体表面吸附/解附的附着系数，其取值范围为1
×
10-3
～1
×
10-2
，或可通过公式a15近似获得；公式a15中，θr为sio2分子的转动常数，取值为6.812422。
[0048]
则上述sio2的蒸发质量流率如公式a16所示：
[0049][0050]
本发明对c/mec/sic复合材料进行烧蚀或模拟烧蚀后，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烧蚀速率。
[0051]
本发明所述孔隙率为所述c/mec/sic复合材料在烧蚀过程中表面形成的氧化层的孔隙率，可以在所述复合材料进行小样本烧蚀后直接通过仪器检测得到，可以通过压汞法或图像分析法测试获得，也可以通过经验公式得到，具体如公式a17所示：
[0052][0053]
本发明所述碳纤维烧蚀速率为本领域技术人员熟知的数值，与当地流场相关，可以通过查阅文献或小试样测试获得，文献给出的经验公式总结了温度和压力影响，例如在《国义军,代光月,桂业伟,等.碳基材料氧化烧蚀的双平台理论和反应控制机理[j].空气动力学学报,2014(06):755-760.》文献中可查询得到。
[0054]
本发明所述氧气摩尔流率为所述c/mec/sic复合材料在烧蚀过程中进入所述复合材料表面形成的氧化层的氧气的摩尔流率。本发明所述c/mec/sic复合材料在烧蚀过程中，由于氧化膜的存在，氧气首先溶解在氧化层的液态sio2中，然后在其中扩散，最后到达原始材料-氧化层的交界面，与下层的原始材料发生热化学反应生成凝相氧化物；生成的凝相氧化物增厚氧化层其中固相me
x
oy作为骨架钉扎在材料表面、液相sio2填充在氧化层孔隙中，生成的co逆扩散逸出；表面的sio2发生挥发，使得氧化层变薄；氧气在氧化层里的扩散主导了氧化速率。此外，在高速气流作用下，表面氧化物发生剥蚀，使得氧化层变薄乃至脱落，将底层原始材料暴露在高温高速气流之中；如图1所示，图1为c-zrc-sic陶瓷氧化过程示意图。
[0055]
由此可见，在烧蚀过程中进入所述复合材料表面形成的氧化层的氧气经历的过程具体如下：
[0056]
首先，氧气主要以溶解-扩散方式通过固态孔隙里的液态sio2，氧气在sio2中的扩散由胡克扩散定律描述，如公式a18所示：
[0057]
公式a18中，为摩尔浓度，单位为mol
·
m-3
；x为o2在氧化层厚度l中的位置；d
eff
为氧气在sio2中的有效扩散系数，单位为m2·
s-1
，根据公式a19获得：
[0058]
公式a19中，τ为孔隙弯曲因子，所述孔隙弯曲因子属于已知的输入量，反映空隙里的气体扩散相对于无约束空间里的运动由于障碍的存在而使得连通的路径更长，可以通过压汞法或图像分析法测试获得，在本发明中取值为2；d为氧气在没有弯曲空隙的sic的氧化物sio2里的扩散系数；在本发明中，所述氧气在没有弯曲空隙的sic的氧化物sio2里的扩散系数为已知的输入量，可以通过其他方法获得，可以通过其他方法获得，如查阅文献，或进行针对性试验测量。
[0059]
当氧气扩散至所述氧化层的外表面，也即氧化层与空气交界处的交界面时，氧气浓度由氧气在sio2中的溶解度得到，根据亨利溶解定律可得，如公式a20所示：
[0060]
公式a20中，cw为氧气溶解在液态层里的浓度；h为亨利常数，其值为8.5
×
10-7
mol
·
m-3
·
pa-1
；为氧气在所述复合材料表面的压力，单位为pa；在本发明中，所述氧气在所述复合材料表面的压力为已知的输入量，可以通过对材料所处的环境进行测试获得。
[0061]
当氧气扩散至所述氧化层的内表面，也即所述氧化层与原始材料的交界面时，假定通过氧化层sio2膜孔隙的氧气全部与c/sic/zrc复合材料反应，则上述所获取的氧气摩尔流率可通过公式a21表示：
[0062]
公式a21中，为材料氧化反应的速率常数，本发明所述材料氧化反应的速率常数为已知的输入量，可以通过试验获得或查询文献获得；ci为o2在氧化层-原始材料交界面的浓度；
[0063]
由公式a18、公式a20、公式a21可得公式a22：
[0064][0065]
结合公式a21和公式a22即可知上述所获取的氧气摩尔流率可由公式a23表示：
[0066]
公式a23中，所述d
eff
、和与当地流场相关，均为本领域技术人员能够通过熟知的方法获取得到的；l为氧化层厚度。在本发明中，d
eff
/k
o2
的取值为1e-4。
[0067]
依据公式a23，若不考虑气流冲刷的影响，根据氧气在壁面的压力、亨利常数、所述复合材料烧蚀时的氧化反应速率常数、氧气在sio2中的有效扩散系数、所述复合材料在无气流冲刷条件下烧蚀后表面的氧化层厚度和所述孔隙率，通过公式9获得上述氧气摩尔流率：
[0068]
公式9中，l1为所述复合材料在无气流冲刷条件下烧蚀后表面的氧化层厚度。
[0069]
本发明获得所述氧化层的孔隙率、所述氧化层的氧气摩尔流率和所述碳纤维烧蚀速率后，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
oy和sio2的摩尔质量和密度，通过公式1获得第一物性参数；通过公式2获得第二物性参数。
[0070]
本发明通过公式1获得第一物性参数；所述第一物性参数是关于所述复合材料烧蚀过程中产生的氧化层的参数。
[0071][0072]
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；mc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
oy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
oy的密度；为所述氧化层中的组分sio2的密度。
[0073]
当所述c/mec/sic复合材料为c/zrc/sic复合材料时，有气流冲刷条件下，本发明所述复合材料烧蚀过程中形成的氧化层的厚度根据公式a24获得：
[0074][0075]
公式a24中，l为氧化层厚度，具体而言为所述复合材料烧蚀过程中形成的氧化层的厚度，单位为m；t为氧化时间，单位为s；φ为氧化层的孔隙率；为单位面积上zro2生成质量速率，保持固相；为单位面上sio2生成质量速率，保持液相；和分别为zro2和sio2的密度，单位为kg
·
m-3
。
[0076]
将公式a7～公式a9式代入，可得公式a25：
[0077][0078]
公式a25中，为氧化层中的组分sio2的密度，即sio2为凝相时的密度。用公式a11与公式a25消去整理可得公式a26所示，即有气流冲刷条件下本发明所述复合材料烧蚀过程中形成的氧化层的厚度：
[0079][0080]
可得c/zrc/sic复合材料的第一物性参数为公式a27：
[0081][0082]
本发明通过公式2获得第二物性参数；本发明所述第二物性参数和所述复合材料的氧化层厚度及所述复合材料的烧蚀后退量相关；具体而言，本发明所述第二物性参数和不考虑气流冲刷条件下的所述氧化层厚度及所述复合材料的烧蚀后退量相关；
[0083][0083]
其中，γ3为第二物性参数。
[0084]
关于不考虑气流冲刷条件下的所述氧化层厚度，可以由本发明所述复合材料烧蚀过程中形成的氧化层厚度得到。当所述c/mec/sic复合材料为c/zrc/sic复合材料时，关于本发明所述复合材料烧蚀过程中形成的氧化层厚度，根据公式a28，结合公式a26和公式a27式，可得公式a29，即有气流冲刷条件下本发明所述复合材料烧蚀过程中形成的氧化层的厚度：
[0085][0086]
结合上述所获得的氧气摩尔流率，根据公式a30可以得到有气流冲刷条件下本发明所述复合材料烧蚀过程中形成的氧化层的厚度：
[0087][0088]
这是一个复杂的氧化层演化过程，受到氧气溶解-扩散-反应、氧化层厚度、蒸发、环境氧分压、温度、组分、氧化层孔隙率等因素的影响。在没有强烈吹落氧化物的环境中，求解公式a30反映的氧化层厚度，有如下三种方法：
[0089]
1)微分法，先假设一个极小的氧化层厚度，具体的初值选择对求解合理性影响很大，需要多次尝试；而后，采用上一个时间步里的氧化层的厚度，求解每个小的时间间隔(如1s)里的厚度净增量(生成的厚度减去蒸发掉的厚度)，最后将厚度进行累加，就可以得到厚度随时间的变化，如公式a31和公式a32所示。
[0090][0091][0092]
2)积分法，如公式a33所示：
[0093][0094]
这是关于l的隐函数，不容易求解。
[0095]
3)分离法，将式右边表示的氧化层厚度根据物理意义，分为右边第一项代表的氧化反应生成氧化物增厚部分和右边第二项代表的氧化物气化反应挥发部分，分为两个过程求解，认为这两类反应互不干涉，可独立求解，先获得出增厚的部分，然后减去消耗的部分。即公式a30分为公式a34；
[0096]
公式a34中，项为l1即不考虑气流冲刷条件下的所述氧化层的厚度；项为l2即氧化物气化反应挥发的氧化层厚度；
[0097]
根据所述第一物性参数和步骤s2)所述氧气摩尔流率，通过公式7获得复合材料在无气流冲刷条件下烧蚀后表面的氧化层厚度，也即不考虑气流冲刷条件下的所述氧化层的厚度；
[0098][0099]
对公式7的l1整理可得公式10；
[0100][0101]
公式10中，b描述了气体溶解-扩散动力学，如公式11所示；a反映了单位距离上扩散系数与反应系数的大小关系，如公式12所示；b/a描述了反应动力学，如公式a35所示。
[0102][0103]
对公式10积分可得公式a36或公式a37：
[0104][0105]
公式a36或公式a37中，b为抛物型速率常数，b/a为线性速率常数。
[0106]
氧化层厚度遵循线性-抛物型模型，表现为反应-扩散控制氧化进程。由上式可知，起始短时间内，氧化层还未形成，上式左边由线性项主导，随着烧蚀时间增加氧化层增厚，最终由抛物型项主导。
[0107]
对项的l2整理可得公式a38，继续对公式a38积分可得公式a39
[0108][0109][0110]
结合上述l1和l2，则有气流冲刷条件下的氧化层厚度可根据公式a40获得；l＝l1+l2公式a40；无论积分法还是分离法，需要确保求解过程中的一个时间段内的温度不变。
[0111]
关于本发明所述复合材料的烧蚀后退量，也即原始材料的烧蚀后退量如公式a41所示：
[0112][0113]
公式a41中，γ2如公式a42所示：
[0114][0115]
所述复合材料的烧蚀后退量和不考虑气流冲刷条件下的氧化层厚度相关，因此将公式a41与公式7相比，可得公式a43；由此可得所述c/mec/sic复合材料的第二物性参数：
[0116][0117]
当所述c/mec/sic复合材料为c/zrc/sic复合材料时，所述复合材料的烧蚀后退量，也即原始材料的烧蚀后退量如公式a44所示：
[0118][0119]
公式a44中，γ2如公式a45所示：
[0120][0121]
将公式a44与公式7相比，可得公式a46；即c/zrc/sic复合材料的第二物性参数如公式a47所示：
[0122][0123][0124]
当所述c/mec/sic复合材料为c/tac/sic复合材料时，则其第一物性参数和γ2分别如公式a48和公式a49所示，由此即可得其第二物性参数；
[0125][0126][0127]
对于在气流冲刷条件下的本发明所述复合材料的烧蚀，本发明获得第一物性参数和第二物性参数后，需要先获得所述复合材料的烧蚀后退速率，再根据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。
[0128]
本发明根据所述第一物性参数和上述氧气摩尔流率，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，以及上述所得的碳纤维的烧蚀速率，获得复合材料的烧蚀后退速率。具体而言，在高速热气流中，由于气体的剪切力作用，氧化物被吹走流失，表面仅能保持一定厚度的薄薄一层氧化膜，氧化层的生长速率可由公式a50表示：
[0129][0130]
公式a50中，项为氧化层增厚速率项，项为氧化层分解变薄速率项；因此公式a50可表示为公式a51：
[0131][0132]
公式a51中，v
oxide
为氧化层最终的演化速率；v
oxide-incr
为氧化层增厚速率，具体而言为不需考虑气流冲刷时的氧化层增厚速率，由公式a52获得；为氧化层分解变薄速率，由公式a53获得。
[0133][0134]
上述氧化层增厚速率，即不需考虑气流冲刷时的氧化层增厚速率，通过公式3获得；
[0135][0136]
将公式a41与公式7相比，根据所述氧化层增厚速率和所述第二物性参数，通过公式4可得mec-sic基体材料烧蚀后退速率；
[0137]vmateral
＝γ3v
oxide-incr
公式4；公式4中，v
materal
为mec-sic基体烧蚀后退速率。
[0138]
根据所述mec-sic基体材料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，结合碳纤维烧蚀速率，通过公式5获得复合材料的烧蚀后退速率；
[0139]vceramic
＝(f
mec
+f
sic
)v
matera1
+f
csvcs
公式5；公式5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。
[0140]
当所述c/mec/sic复合材料为c/zrc/sic复合材料时，其烧蚀后退速率如公式a54所示：
[0141]vceramic
＝(f
zrc
+f
sic
)v
materal
+f
csvcs
公式a54。
[0142]
通过公式6获得c/mec/sic陶瓷材料的烧蚀速率，在烧蚀时间里进行积分，即可以获得不同时间长度下的烧蚀后退量。防热部件划分不同的网格点，分别进行烧蚀后退量分析，就可以获得不同时刻下的烧蚀外形。
[0143]
r＝r
0-∫v
ceramic
dt
ꢀꢀ
公式6；
[0144]
公式6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。
[0145]
对于没有空气强烈流动的环境，也即无气流冲刷的条件下，通过前面三种方法获得氧化层厚度后，就可以分析原始材料的后退量。具体而言，根据上述所得的第二物性参数和无气流冲刷条件下的氧化层厚度，通过公式8获取无气流冲刷条件下复合材料的烧蚀后退量；
[0146]
x
sub
＝γ3l1公式8；公式8中，x
sub
为复合材料的烧蚀后退量。
[0147]
本发明提供了一种c/mec/sic复合材料烧蚀后退量的评估方法。本发明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，对于有气流冲刷的情况，根据所述复合材料的烧蚀过程中进入氧化层的氧气摩尔流率、第一物性参数和第二物性参数，获得所述复合材料的烧蚀后退速率，从而获得其烧蚀后退量。对于所述复合材料在烧蚀过程中无气流冲刷的情况，根据有气流冲刷情况下的氧化层厚度公式采用分离法获得无气流
冲刷条件下氧化层厚度公式，从而根据第一物性参数和所述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膜厚度，再根据第二物性参数和所述氧化层厚度获得所述复合材料的烧蚀后退量。
[0148]
本发明适合于快速检测高超声速飞行器此类防热材料的抗烧蚀性能，为材料组分配方调控和防热结构设计提供重要评估参数，具有通用性强、精度高、成本低、周期短等特点。其核心思想是：不需直接测量受工艺和组分配比影响的高超声速飞行器防热设计采用的各式各样基体材料本身，只要在材料制备前，确定或采用标准方式测量c组分、sic组分和mec组分(mec代指zrc、hfc、tac等一类高熔点耐烧蚀碳化物，氧化生成固体氧化物)的配比，然后利用本发明所述理论关系式，即可得到所需c/mec/sic三组元陶瓷烧蚀造成的材料后退量和材料质量损失。实验表明，本发明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。
附图说明
[0149]
图1为c-sic-zrc陶瓷氧化过程示意图；
[0150]
图2为本发明具体实施的分析流程示意图；
[0151]
图3为c/hfc/sic复合材料的不同时间烧蚀外形分析预示图；
[0152]
图4为高速热气流中c/hfc/sic材料的烧蚀分析预测结果示意图；
[0153]
图5为c/hfc/sic材料的实际烧蚀试验录像截图。
具体实施方式
[0154]
本发明公开了一种c/mec/sic复合材料烧蚀后退量评估方法。本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明。本发明的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。
[0155]
首先在实验室中制备c/mec/sic三组元陶瓷复合材料，获得其各组分配比、其烧蚀后的孔隙率参数，其烧蚀过程中的sio2的质量流率，以及其烧蚀过程中的氧气摩尔流率。对于所述复合材料在烧蚀过程中有气流冲刷的情况，根据公式v
ceramic
＝(f
zrc
+f
sic
)v
materal
+f
csvcs
获得其烧蚀速率，最后根据r＝r
0-∫v
ceramic
dt分析其烧蚀后退量。对于所述复合材料在烧蚀过程中无气流冲刷的情况，根据有气流冲刷情况下的氧化膜厚度公式采用分离法确定没有气流冲刷条件下氧化膜厚度公式为从而求解出没有气流冲刷条件下的氧化膜厚度，再根据公式确定材料后退量。如图2所示，图2为本发明具体实施的分析流程示意图。
[0156]
以下结合实施例对本发明进行进一步阐述：
[0157]
实施例1
[0158]
有高温气流冲刷条件下，分析配比质量分数为0.383、0.334和0.283的c/hfc/sic
复合材料的烧蚀后退量，试验参数如表1所示：
[0159]
表1
[0160]
烧蚀时长(s)来流压力(kpa)来流温度(k)来流密度(kg/m3)来流速度(m/s)0-801.118730.70.0051682415.881-1800.331021.80.0008693531.6181-3200.4548792.90.0017482780.4321-4502.6671442.90.0054483593.9451-900266471297.40.0062373317.1901-15003.5261100.50.0104782882.71501-20001.118730.70.0051682415.8
[0161]
按照以下步骤1～步骤4所述进行：
[0162]
步骤1：首先在实验室中将配比质量分数为0.383、0.334和0.283的c组分、hfc组分和sic组分制备得到c/hfc/sic复合材料。对所述复合材料进行有气流冲刷情况下的模拟烧蚀。
[0163]
步骤2：通过公式a17获取上述步骤1所得的c/zrc/sic复合材料氧化后表层氧化膜的孔隙率参数为5％；
[0164][0165]
同时根据公式9获取上述步骤1所得的c/zrc/sic复合材料在烧蚀过程中的氧气摩尔流率；本实施例间接获取了所述氧气的摩尔流率的具体数值，即以公式9表示所述氧气的摩尔流率；
[0166][0167]
其中，l1为气流冲刷情况下所述复合材料烧蚀后表面的氧化层厚度，在气流作用下，氧化层只能维持极薄一层，本发明中取1e-6；
[0168]
h为亨利常数，其值为8.5
×
10-7
mol
·
m-3
·
pa-1
；
[0169]
为氧气在复合材料表面的压力，在本实施例中依据表1参数通过流体力学计算获得；
[0170]
为所述复合材料氧化反应的速率常数，d
eff
为氧气在sio2中的有效扩散系数，本实施例采用的是(d
eff
/k
o2
)这个比值，取值为1e-4；
[0171]
同时根据表1参数获取碳纤维烧蚀速率；
[0172]
步骤3：根据步骤2中所得的孔隙率，结合所述复合材料中的c组分、hfc组分和sic组分的配比和摩尔量，通过公式1获得与所述复合材料三组分的配比、摩尔质量和氧化层的孔隙率相关的物性参数γ1，通过公式2获得与所述复合材料及其氧化层相关的物性参数γ3；
[0173][0174][0175]
其中，φ为复合材料表面氧化层的孔隙率；ρi为组分i的密度；mi为组分i的摩尔质量；fi为所述复合材料在烧蚀前的组分i的质量分数，组分c、sic和hfc的质量分数为材料制备时已知的参数。
[0176]
根据步骤2中所得的氧气摩尔流率，结合上述所得的与所述复合材料三组分的配比、摩尔质量和氧化层的孔隙率相关的物性参数γ1，通过公式3获得所述复合材料的氧化层增厚速率；
[0177][0178]
再根据所得的氧化层增厚速率v
oxide-incr
，结合所得的与所述复合材料及其氧化层相关的物性参数γ3，通过公式4获得基体材料烧蚀后退速率；
[0179]vmateral
＝γ3v
oxide-incr
ꢀꢀ
公式4；
[0180]
再根据所得的基体材料烧蚀后退速率v
materal
，结合所述复合材料中的c组分、mec组分和sic组分的质量分数，以及碳纤维的烧蚀速率，通过公式5获得高速热气流中c/zrc/sic复合材料的烧蚀速率；
[0181]vceramic
＝(f
mec
+f
sic
)v
materal
+f
csvcs
ꢀꢀ
公式5；
[0182]
步骤4：获得所述复合材料的烧蚀后退量
[0183]
步骤1中值得的复合材料的试验件为球柱，球头半径为20mm，根据步骤3所得的c/zrc/sic复合材料的烧蚀速率，通过公式6获得所述复合材料对应的烧蚀后退量∫v
ceramic
dt为32.9mm；如图3～图4所示，图3为c/hfc/sic复合材料的不同时间烧蚀外形分析预示图，图4为高速热气流中c/hfc/sic材料的烧蚀分析预测结果示意图。
[0184]
r＝r
0-∫v
ceramic
dt
ꢀꢀ
公式6。
[0185]
选用和实施例1相同的c/hfc/sic复合材料进行相同条件的实际烧蚀试验，如图5所示，图5为c/hfc/sic材料的实际烧蚀试验录像截图。结合图5的烧蚀试验录像截图说明了c/hfc/sic材料在实际烧蚀时的外形和图3～图4所示的本发明的评估方法预测的c/hfc/sic材料的烧蚀外形较为接近。
[0186]
试验最终获得的该类材料试验件烧蚀后退量为36.5mm，结合上述本发明的方法分析后退量为32.9mm，可知偏差为9.9％。
[0187]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
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＝r
0-∫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
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和所述氧化层的孔隙率；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；其冲，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，通过公式7获得复合材料在无气流冲刷条件下烧蚀后表面的氧化层厚度；其中，l1为复合材料在无气流冲刷条件下烧蚀后表面的氧化层厚度；t为复合材料的烧蚀时间；为复合材料表面的氧化层的氧气摩尔流率；s4)根据步骤s3)中所述第二物性参数和所述氧化层厚度，通过公式8获取复合材料的烧蚀后退量；x
sub
＝γ3l1公式8；其中，x
sub
为复合材料的烧蚀后退量。7.根据权利要求1～6中任一所述的方法，其特征在于，根据氧气在复合材料表面的压力、亨利常数、所述复合材料烧蚀时的氧化反应速率常数、氧气在sio2中的有效扩散系数、所述复合材料在无气流冲刷条件下烧蚀后表面的氧化层厚度和所述孔隙率，通过公式9获得步骤s2)中所述氧气摩尔流率：其中，为氧气在复合材料表面的压力，单位为pa；h为亨利常数，其值为8.5
×
10-7
mol
·
m-3
·
pa-1
；为所述复合材料烧蚀时的氧化反应速率常数；d
eff
为氧气在sio2中的有效扩散系数，单位为m2·
s-1
；l1为所述复合材料在无气流冲刷条件下烧蚀后表面的氧化层厚度。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，根据溶解-扩散动力学参数和单位距离上的扩散系数与反应系数的大小关系参数，通过公式10获得所述复合材料在无气流冲刷条件下烧蚀后表面的氧化层厚度；其中，a为氧气在氧化层中的单位距离上的扩散系数与反应系数的大小关系；b为氧气在氧化层中的溶解-扩散动力学参数；根据所述第一物性参数、氧气在壁面的压力、亨利常数、氧气在sio2中的有效扩散系数和步骤s2)所述孔隙率，通过公式11获得所述氧气在氧化层中的溶解-扩散动力学参数；
根据所述复合材料烧蚀时的氧化反应速率常数、氧气在sio2中的有效扩散系数和步骤s2)所述氧化层的孔隙率，通过公式12获得所述氧气在氧化层中的单位距离上的扩散系数与反应系数的大小关系参数；9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，根据孔隙弯曲因子和氧气在没有弯曲空隙的sic的氧化物sio2里的扩散系数，通过公式a19获得所述氧气在sic的氧化物中的有效扩散系数；其中，τ为孔隙弯曲因子，d为氧气在没有弯曲空隙的sic的氧化物sio2里的扩散系数。10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过公式a17获得所述氧化层的孔隙率；

技术总结
本发明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
受保护的技术使用者：中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所
技术研发日：2023.07.14
技术公布日：2023/9/20