C/SiC材料主動氧化燒蝕計算研究

鄧代英，陳思員，俞繼軍，歐東斌

(中國航天空氣動力技術研究院，北京 100074)

0 引言

新型高超聲速飛行器的防熱系統要求輕質、耐高溫以及抗氧化。C/SiC材料具有密度低、耐高溫和良好的抗氧化性能，曾被用于航天飛機端頭、翼前緣等部位，是新型高超聲速飛行器的重要備選防熱材料，也是超燃沖壓發動機一體化熱結構的重要備選材料，因此開展C/SiC材料在高溫有氧環境下的氧化機理及燒蝕性能的研究具有很高的工程應用價值。

C/SiC材料氧化機制分為主動氧化和被動氧化，且主被動氧化間存在一個轉捩溫度區間，當溫度在此區間附近變化時，材料氧化機制將在主被動氧化之間轉換。國內已有文獻對SiC材料被動氧化機理及轉捩溫度進行了研究［1］，還未見對材料主動氧化燒蝕計算研究的相關報道。材料燒蝕速率的計算方法，使用較為廣泛的是熱化學平衡分析方法［2－6］。NASA Ames研究中心的Milos和Chen等人基于熱化學平衡的方法開發了“MAT”燒蝕計算程序對SiC材料的燒蝕行為進行了研究，計算結果和電弧加熱風洞試驗結果基本一致［6，7］。

本文采用熱化學平衡的方法對C/SiC材料主動氧化燒蝕進行了計算研究，分析了材料組分、壓力、溫度對材料燒蝕速率的影響，并開展了材料燒蝕性能試驗，與計算結果進行了比較分析。

1 C/SiC材料主動氧化燒蝕模型

1.1 熱化學平衡方法及假設

如圖1所示，材料表面取控制體(圖示陰影部分)，在恒定溫度和壓力下，控制體內的元素質量守衡。

圖1 燒蝕表面元素質量守衡Fig.1 Mass conservation of elements with ablated conditions