陶瓷材料抗稳态等离子体侵蚀性能及其抗侵蚀机理研究

BN陶瓷由于其具有优良的电学和热学性能，被认为是制造等离子体发动机通道的首选材料。但是其力学性能较低，导致其抗溅射侵蚀能力较差，会严重影响发动机的寿命，而且目前对于陶瓷材料与等离子体之间相互作用的物理机制研究尚少，对材料抗离子侵蚀的机理也无定论，无法从根本上解决材料抗侵蚀性能差的问题。为此，本申请拟通过改进BN基复合陶瓷材料的性能，改善其抗等离子体侵蚀的能力，通过对不同成分、性能的材料在不同侵蚀条件下抗侵蚀性能及受侵蚀后样品的研究，优化出具有较好抗侵蚀性能的材料并建立材料受等离子体侵蚀的模型，利用数值模拟结合实验结果分析，探讨并揭示材料的抗侵蚀机理。本研究不仅可以丰富和完善材料与等离子体的相互作用的理论及其材料发生侵蚀的机理，而且可以为制备出抗侵蚀性能优异的BN基陶瓷复合材料提供理论和实验基础，因此具有重要的学术价值和潜在的工程应用前景。

Hall推进器具有高比冲、小推力、长寿命等一系列的优点，可广泛地应用于卫星轨道调节、深空探测器变轨等，但现有的通道用陶瓷材料抗等离子体侵蚀性能较差，制约了其寿命的进一步提高和该系列推进器的应用。本项目针对该体系材料性能的优化及其抗等离子体侵蚀性能的测试与表征中存在的问题，研究了h-BN基陶瓷复合材料的制备及其抗等离子体侵蚀性能。采用热压烧结的方法制备了Al2O3/h-BN系列陶瓷材料、BN-SiO2-Al2O3系列陶瓷材料以及ZrO2/BN-SiO2系列陶瓷材料，分析了材料成分配比、烧结工艺参数等对材料物相组成、显微组织结构、力学性能、热物理性能、抗热震性能以及抗等离子体侵蚀性能的影响规律，阐明了材料的微观结构-常规性能-抗等离子体侵蚀性能之间的联系，得到了几种具有较好抗等离子体侵蚀的材料。通过对相关研究结果的优化，成功制备出了可用于Hall推进器通道的组合式陶瓷构件，能够满足相关飞行器的服役要求。本项目实施期间，已在国内外学术期刊上发表论文6篇，其中SCI收录3篇，EI收录5篇，ISTP收录1篇，获授权发明专利1项。参加国内外学术会议并作报告5次，其中邀请报告1次，大会报告1次。本项目的实施，可为进一步了解等离子体侵蚀陶瓷材料的作用机理起到促进作用，也可为制备出抗侵蚀性能优异的h-BN基陶瓷复合材料提供理论和实验基础，因此具有重要的学术意义和潜在的工程应用价值。