一、 【導(dǎo)讀】

SiC陶瓷以及碳化硅基復(fù)合材料，包括C/SiC和SiC/SiC復(fù)合材料，具有優(yōu)異的抗氧化性能，是重要的熱防護(hù)材料。它們常作為非燒蝕型熱防護(hù)材料用于飛行器的鼻錐、前緣等熱端部件。這些部件在實(shí)際使用過程中，表面氣流通過激波壓縮或粘性阻滯減速，大量動(dòng)能轉(zhuǎn)變成熱能，氣體溫度升高并發(fā)生能量激發(fā)、離解、電離、電子激發(fā)等一系列物理化學(xué)反應(yīng)，出現(xiàn)“高溫氣體效應(yīng)”。飛行器將面臨高溫、低壓、原子氧環(huán)境。而SiC等各種熱防護(hù)材料可以保護(hù)飛行器內(nèi)部免受嚴(yán)苛的環(huán)境的影響，保證飛行器正常工作。如何獲得SiC材料在實(shí)際飛行過程中的應(yīng)用極限條件，保證服役過程中的安全至關(guān)重要。

二、【成果掠影】

北京理工大學(xué)王一光課題組、南京航空航天大學(xué)易敏課題組、中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心王國林課題組利用高頻等離子體風(fēng)洞產(chǎn)生離解氧環(huán)境，研究了碳化硅在該環(huán)境中的氧化行為。在實(shí)驗(yàn)中，同時(shí)觀察到材料表面的二氧化硅的生成和氧化層的厚度減少。采用線性-拋物線曲線擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以區(qū)分氧化層的生成和損失過程。通過分子動(dòng)力學(xué)模擬和空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算，發(fā)現(xiàn)SiC的氧化受離解氧擴(kuò)散通過二氧化硅晶體結(jié)構(gòu)中的通道擴(kuò)散控制，而表面二氧化硅的損失是由于其升華控制。這些發(fā)現(xiàn)為確定飛行器高速飛行過程中的碳化硅材料的失效邊界奠定了理論基礎(chǔ)。

三、【數(shù)據(jù)概覽】

在以下四個(gè)狀態(tài)開展氧化實(shí)驗(yàn)

表1 實(shí)驗(yàn)狀態(tài)參數(shù)

圖1 樣品表面溫度曲線

圖2 樣品表面氧化層厚度統(tǒng)計(jì)

圖3 整體厚度隨氧化時(shí)間的變化

圖1-5 反應(yīng)速率隨氧化溫度的變化以自然對(duì)數(shù)尺度表示

計(jì)算得到氧化的活化能為60 kJ×mol^-1，氧化層損失的活化能為115 kJ×mol^-1。

圖3 LAMMPS結(jié)果：(a) 模擬氧在SiO₂中擴(kuò)散的初始結(jié)構(gòu)模型；(b) SiO₂晶體；(c) O原子的擴(kuò)散軌跡

表4 表面SiO₂損失速率計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過邊界層擴(kuò)散計(jì)算可以得到，表面SiO₂的損失是通過升華以后進(jìn)入邊界層后迅速流走導(dǎo)致。

圖4 圖形摘要

五、結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了SiC在離解氧環(huán)境中的氧化特征，并為探索SiC的失效邊界以及確定材料的使用極限提供理論和經(jīng)驗(yàn)支撐。在高頻等離子風(fēng)洞產(chǎn)生的離解氧環(huán)境中，SiC表面同時(shí)發(fā)生氧化生成SiO₂和SiO₂的損失過程。SiC的氧化遵循拋物線規(guī)律，氧原子通過 SiO? 晶體內(nèi)的通道擴(kuò)散控制著氧化過程。而SiO?的升華損失則隨低壓和高溫呈線性關(guān)系。綜合考慮SiC的氧化和SiO?的損失過程，得出 SiC 的拋物線-線性氧化規(guī)律。SiC的氧化是原子氧擴(kuò)散通過二氧化硅晶體中的通道控制。而SiO₂的損失是通過升華生產(chǎn)氣相SiO₂，擴(kuò)散到邊界層中與原子氧反應(yīng)生成SiO，而導(dǎo)致表面的氧化層不斷損失。在表面沒有發(fā)生主動(dòng)氧化的條件下，材料表面的會(huì)逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，形成穩(wěn)定的氧化層，避免材料的迅速失效。

該研究成果以“Oxidation behavior of SiC in dissociated oxygen environments”為題，發(fā)表在《Acta Materialia》期刊上。其中，通訊作者為北京理工大學(xué)先進(jìn)結(jié)構(gòu)技術(shù)研究院任科助理教授與王一光教授，南京航空航天大學(xué)易敏教授，中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心王國林研究員；第一作者為北京理工大學(xué)博士生陳左政。

原文詳情：

Z. Chen, L. Liu, J. Guo, C. Li, J. Yu, Y. Yin, S. Li, K. Ren, M. Yi, G. Wang, Y. Wang, Oxidation behavior of SiC in dissociated oxygen environments, Acta Materialia 286 (2025) 120745. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.120745.