改性C/C-ZrC-SiC复合材料热化学烧蚀数值分析 ①

梅宗书，范学领，石成英，晋小超

(1.火箭军工程大学 核工程学院，西安 710025；2.西安交通大学 航天航空学院 机械结构强度与振动国家重点实验室，西安 710049)

0 引言

碳/碳(C/C)复合材料因其突出的耐烧蚀、高比强度、高比模量、低热膨胀系数、耐热冲击等一系列优异性能，广泛应用于航天、航空领域，如再入飞行器鼻锥、固体火箭喷管和航天飞机机翼前缘[1]。但C/C材料在高温下易氧化，从而降低了其抗烧蚀性能。基体改性通过在碳基质中加入改性抑制剂或密封剂封闭活性点来降低氧化速率从而提高抗烧蚀性能。改性材料根据引入相的不同，可分为SiC陶瓷、UHTCs、难熔金属等，其中UHTCs颗粒掺杂物主要是难熔金属Zr、Hf和Ta的碳化物及硼化物，研究较多的有ZrC、ZrB2、ZrB2-SiC、HfB2-SiC、ZrB2-ZrC-SiC等，具有较强的应用前景，可在2200 ℃以上高温对烧蚀结构进行有效防护[2]。

在数值计算方面，碳基复合材料主要从表面热化学烧蚀和内部材料热响应两个方面，对其烧蚀表面气体产物浓度、质量烧蚀率、线烧蚀率等性能参数进行计算求解。YIN Tiantian等[3]根据C/C热化学烧蚀在低、高温下分别由反应动力学速率和扩散速率控制的特点，研究了C/C复合材料前缘结构在不均匀压力、温度分布下的表面退移率，同时探讨了基体改性对材料烧蚀性能的影响。杨德军等[4]、WANG Chen[5]根据表面能量平衡、质量守恒及化学平衡方程构建表面烧蚀模型，并通过虚拟失效、重新构建网格的方法，实现了热化学烧蚀、烧蚀表面退缩及温度场耦合作用下C/C复合材料烧蚀性能变化规律有限元分析。……