C／SiC復合材料燒蝕機理和通用計算模型研究

國義軍，桂業偉，童福林，代光月，曾 磊

（中國空氣動力研究與發展中心，四川 綿陽621000）

0 引 言

早期戰略彈頭采用燒蝕防熱方案，而臨近空間飛行器頭部為了保持長時間飛行的氣動外形不變，擬采用C／SiC等新型耐高溫復合材料作為防熱材料。那么這種新型防熱材料到底耐不耐燒蝕呢？國內對此還沒有進行系統研究。

C／SiC復合材料是由高強度的碳纖維增強SiC基體而成的，其中C和SiC可以有不同的混和比。但目前國內外研究主要是針對SiC基體材料的，對C／SiC復合材料研究的很少。基體SiC根據制備方法不同可分為單晶SiC、化學蒸汽沉積SiC（CVD－SiC）、燒結SiC和熱壓SiC等，依據晶體結構大致可分為α－SiC和β－SiC兩類［1］。晶體SiC的氧化行為具有方向性［2］，材料中是否含有雜質對氧化速率也有很大影響［3］。

國外有關研究表明，在溫度低于2600℃情況下，SiC的燒蝕取決于氧的分壓、表面溫度和材料微觀結構及成份，可能出現活性氧化和惰性氧化兩種破壞機理［4－5］。在低壓高溫時，呈活性氧化，裸露的SiC與氧氣直接反應生成氣態產物SiO和CO，反應可能為擴散控制、反應速度控制或混合控制。逐漸增加氧濃度（或分壓），在某一狀態下，將生成SiO2抗氧化膜，抗氧化膜的存在阻止了氧氣直接與表面材料的反應，氧氣必須通過擴散穿過抗氧化膜才能到達SiC表面發生氧化反應，這一氧化過程稱為惰性氧化。

研究表明，惰性氧化速率主要受控于氧在SiO2抗氧化膜中的擴散，而在不同溫度條件下SiO2具有不同的氧擴散機理。（1）溫度較低時，SiO2為非晶態結構，高溫時呈多晶態結構，結晶態的出現使氧的擴散顯著變慢。……