空气流速和压力对ZrB2-20vol.%SiC在1600–2200℃下氧化行为的影响

Ultra-high temperature ceramics (UHTC) have a great application prospect as oxidaion resistant structural materials of hypersonic aerocrafts and reentry vehicles. Among these UHTC, ZrB2-SiC becomes a most potential candidate due to its easy sintering, good high temperature mechanical properties and thermodynamic stability. In this project, by utilizing environmental atmosphere controllable ultra-high temperature oxidation tester established by us, the oxidation behaviors of ZrB2-20vol.%SiC will be investigated at 1600-2200℃ in air with different flow rates and total pressures (oxygen partial pressures), the real oxygen partial pressure on the top surface of button-like samples will be calculated using a commercial software “ANSYS FLUENT” based on the finite volume method, the effects of main environmental factors (such as temperature, gas flow rate, gas pressure, oxygen partial pressure) on the oxidation resistance of ZrB2-20vol.%SiC can be revealed systematically, finally the role of air flow rate and total pressure (oxygen partial pressure) in the escape of volatile products (molten and gaseous phases), as well as in the oxide growth, microstructure, oxidation control step and active oxidation, will be explored. This project is significant for further understanding the oxidation mechanism of UHTC at ultra-high temperatures, also for developing new UHTC, high-performance protictive coatings, and non-ablative structural/functional combined thermal protection materials.

超高温陶瓷在高超声速飞行器和再入大气层航天器上作为抗超高温氧化的结构材料有突出的应用前景，而其中ZrB2-SiC体系由于具有优良的烧结、高温力学、热力学稳定性而成为最有希望的候选材料。项目提出利用自建的可控气氛超高温氧化装置，研究在1600-2200℃温域不同气体流速和压力（氧分压）下ZrB2-20vol.%SiC的氧化行为，模拟计算不同空气流速和压力（氧分压）下试样表面的氧分压变化，系统了解主要环境因素对ZrB2-20vol.%SiC在超高温下抗氧化性的影响规律，深入认识气体流速和压力（氧分压）影响材料表面氧分压以及熔融和气相产物相向环境中逃逸，进而影响材料的氧化层生长和微观结构、氧化控制步骤以及活性氧化的机制。项目研究对于深入了解超高温陶瓷的氧化机制具有理论意义，同时对长寿命、抗氧化超高温陶瓷和高性能防护涂层体系的发展以及非烧蚀型防热材料的一体化设计具有实用价值。

针对热压烧结法制备的超高温陶瓷ZrB2-20SiC和ZrB2-20SiC-xMoSi2(TaSi2)（x = 0,3,6,10；vol.%），系统地研究了1600oC -2200oC下不同压力和流速的空气中的氧化行为，通过氧化动力学测试、氧化膜成分与微观结构表征、相关热力学定量计算等，明确了气氛条件对材料超高温氧化行为的影响规律与作用机制，深入了解了添加TaSi2或MoSi2对ZrB2-20SiC抗超高温氧化性能的改善作用机理。在1800oC下，空气流速分别为5，15和50 m∙s-1时，复合陶瓷的氧化增重随流速的变化均复合4次方规律，即随着空气流速增加，材料的氧化速率增大，且添加MoSi2会略微增大ZrB2-20SiC的氧化速率。在不同压力的空气中（0.5，5，10 和100kPa），材料表现出不同的氧化行为。当空气压力降低时，会产生大量的挥发性产物，且在0.5kPa空气中材料均发生显著的氧化失重。添加MoSi2，可以促使ZrB2-20SiC在较低的空气压力下（不低于0.5kPa）仍发生氧化增重。基于Wagner内氧化理论，首次提出了超高温陶瓷氧化时靠近氧化膜的表层形成SiC耗尽层起因于SiC活性形式的内氧化；空气压力会影响氧化膜表面熔融SiO2的蒸气压、内氧化层中形成的气态SiO在穿过氧化层向外逃逸过程中被进一步氧化成SiO2的数量，进而影响超高温陶瓷抗氧化性的微观机制。此外，将所研制的ZrB2-20SiC-TaSi2作为碳基复合材料的防护涂层，深入研究了陶瓷涂层抗氧化性能的主要因素及其作用机制，为项目的实际应用奠定了基础。