ZrB2基超高溫陶瓷材料催化性能研究.pdf

1、高超聲速飛行技術的發(fā)展對熱防護材料提出了苛刻的要求，ZrB2基超高溫陶瓷因其優(yōu)異的綜合性能而備受關注，它能夠勝任高超聲速飛行器端頭、翼前緣等關鍵部位的極端氣動熱環(huán)境，滿足飛行器對熱防護系統(tǒng)結(jié)構完整性的嚴格要求，是一種非常有前途的非燒蝕型超高溫結(jié)構材料。高超聲速飛行器在大氣層中高速飛行，飛行器端頭等壁面處空氣受劇烈壓縮形成激波，激波層內(nèi)氣體發(fā)生離解、電離形成氣相原子和離子，研究發(fā)現(xiàn)在化學非平衡流場中飛行器壁面處氣相原子的催化再結(jié)合反應釋放

2、的離解焓對飛行器表面的氣動加熱熱流和氣動熱環(huán)境有較大影響，降低材料的表面催化特性可有效改善超高聲速飛行器惡劣的服役環(huán)境和對熱防護材料苛刻的要求。因此研究低催化特性的超高溫陶瓷材料是非燒蝕型熱防護材料發(fā)展的一個重要方向。
　　本文采用實驗室自主設計的實驗設備，研究了ZrB2基超高溫陶瓷在模擬真實服役環(huán)境下的表面催化效應和材料熱響應。發(fā)展了基于熱平衡原理的壁面溫度響應法和基于等離子體光譜診斷技術的光化學法從而實現(xiàn)了從定性和定量兩方面表

3、征超高溫陶瓷催化特性的目的。研究了不同材料組分、實驗溫度、氣體壓力等因素對材料催化特性的影響。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)在ZrB2-20vol.％SiC-5vol.%W、ZrB2-20vol.%SiC-5vol.%Cr、ZrB2-20vol.%SiC、ZrB2-30vol.%SiC這4種不同組分的超高溫陶瓷材料中，ZrB2-SiC-W材料的催化再結(jié)合效率最小，表現(xiàn)出了較低的催化活性和適宜的熱響應特性；而ZrB2-SiC-Cr材料化學反應劇烈，催化再結(jié)

4、合效率高。同時經(jīng)預氧化處理的試樣其表面最高溫度和表面溫度波動幅度均小于原始試樣，這是由于經(jīng)預氧化處理生成的具有低催化活性的SiO2玻璃相改變了材料表面狀態(tài)，使材料表現(xiàn)出了較低的催化特性。此外還考察了溫度和氣體壓力等實驗條件的變化對材料催化特性的影響。結(jié)果表明在500～1000°C溫度范圍內(nèi)超高溫陶瓷的催化特性隨溫度的升高而增大，催化再結(jié)合效率與溫度之間遵循Arrhenius定律。而在50～100Pa范圍內(nèi)材料的催化特性變化并不顯著，50