ZrB2基超高温陶瓷材料催化性能研究

论文摘要

高超声速飞行技术的发展对热防护材料提出了苛刻的要求,ZrB2基超高温陶瓷因其优异的综合性能而备受关注,它能够胜任高超声速飞行器端头、翼前缘等关键部位的极端气动热环境,满足飞行器对热防护系统结构完整性的严格要求,是一种非常有前途的非烧蚀型超高温结构材料。高超声速飞行器在大气层中高速飞行,飞行器端头等壁面处空气受剧烈压缩形成激波,激波层内气体发生离解、电离形成气相原子和离子,研究发现在化学非平衡流场中飞行器壁面处气相原子的催化再结合反应释放的离解焓对飞行器表面的气动加热热流和气动热环境有较大影响,降低材料的表面催化特性可有效改善超高声速飞行器恶劣的服役环境和对热防护材料苛刻的要求。因此研究低催化特性的超高温陶瓷材料是非烧蚀型热防护材料发展的一个重要方向。本课题采用实验室自主设计的实验设备,研究了ZrB2基超高温陶瓷在模拟真实服役环境下的表面催化效应和材料热响应。发展了基于热平衡原理的壁面温度响应法和基于等离子体光谱诊断技术的光化学法从而实现了从定性和定量两方面表征超高温陶瓷催化特性的目的。研究了不同材料组分、实验温度、气体压力等因素对材料催化特性的影响。实验结果发现在ZrB2-20vol.%SiC-5vol.%W、ZrB2-20vol.%SiC-5vol.%Cr、ZrB2-20vol.%SiC、ZrB2-30vol.%SiC这4种不同组分的超高温陶瓷材料中,ZrB2-SiC-W材料的催化再结合效率最小,表现出了较低的催化活性和适宜的热响应特性;而ZrB2-SiC-Cr材料化学反应剧烈,催化再结合效率高。同时经预氧化处理的试样其表面最高温度和表面温度波动幅度均小于原始试样,这是由于经预氧化处理生成的具有低催化活性的SiO2玻璃相改变了材料表面状态,使材料表现出了较低的催化特性。此外还考察了温度和气体压力等实验条件的变化对材料催化特性的影响。结果表明在5001000°C温度范围内超高温陶瓷的催化特性随温度的升高而增大,催化再结合效率与温度之间遵循Arrhenius定律。而在50100Pa范围内材料的催化特性变化并不显著,50Pa实验条件下材料的催化再结合效率略大于70Pa和100Pa。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 高超声速飞行器的发展
• 1.3 超高温陶瓷材料的研究进展
• 2 的基本性能'>1.3.1 ZrB₂的基本性能
• 2 基超高温陶瓷的力学性能'>1.3.2 ZrB₂基超高温陶瓷的力学性能
• 2 基超高温陶瓷的抗热冲击性能'>1.3.3 ZrB₂基超高温陶瓷的抗热冲击性能
• 2 基超高温陶瓷的抗氧化性能'>1.3.4 ZrB₂基超高温陶瓷的抗氧化性能
• 2 基超高温陶瓷的抗烧蚀性能'>1.3.5 ZrB₂基超高温陶瓷的抗烧蚀性能
• 1.4 材料催化特性的国内外研究现状
• 1.4.1 基本概念
• 1.4.2 材料表面特性的测试方法研究
• 1.4.2.1 风洞试验法
• 1.4.2.2 光化学法
• 1.5 主要研究内容
• 第2章 超高温陶瓷材料制备及催化特性的基本理论
• 2.1 引言
• 2.2 超高温陶瓷材料制备
• 2.2.1 实验原料
• 2.2.2 制备工艺
• 2.3 表面催化效应的基本原理
• 2.3.1 表面吸附与解吸附
• 2.3.2 表面反应
• 2.3.3 表面催化反应的动力学研究
• 2.4 材料催化特性表征测试手段
• 2.4.1 实验设备
• 2.4.2 扫描电子显微镜
• 2.5 本章小结
• 第3章 壁面温度响应法定性表征材料催化特性
• 3.1 引言
• 3.2 基本测试原理
• 3.2.1 温度的定义
• 3.2.2 测试原理
• 3.3 实验结果及分析
• 3.3.1 超高温陶瓷组分对材料催化特性的影响
• 3.3.2 试验温度对材料催化特性的影响
• 3.3.3 预氧化处理对材料催化特性的影响
• 3.3.4 氧化反应对材料催化特性的影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 光化学法定量测量材料催化特性
• 4.1 引言
• 4.2 测试原理
• 4.3 实验结果及分析
• 4.3.1 表面温度对材料催化特性的影响
• 4.3.2 材料组分对材料催化特性的影响
• 4.3.3 气体压力对材料催化特性的影响
• 4.4 实验问题与设备改进
• 4.4.1 高温下的光谱测量
• 4.4.2 氮原子的激发
• 4.4.3 大通量中性原子束的获取
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢