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(shù)的發(fā)展對熱防護(hù)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(guān)注，它能夠勝任高超聲速飛行器端頭、翼前緣等關(guān)鍵部位的極端氣動(dòng)熱環(huán)境，滿足飛行器對熱防護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完整性的嚴(yán)格要求，是一種非常有前途的非燒蝕型超高溫結(jié)構(gòu)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(xué)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(yīng)釋放

2、的離解焓對飛行器表面的氣動(dòng)加熱熱流和氣動(dòng)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(hù)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(hù)材料發(fā)展的一個(gè)重要方向。
　　本文采用實(shí)驗(yàn)室自主設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，研究了ZrB2基超高溫陶瓷在模擬真實(shí)服役環(huán)境下的表面催化效應(yīng)和材料熱響應(yīng)。發(fā)展了基于熱平衡原理的壁面溫度響應(yīng)法和基于等離子體光譜診斷技術(shù)的光化學(xué)法從而實(shí)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(shí)驗(yàn)溫度、氣體壓力等因素對材料催化特性的影響。實(shí)驗(yàn)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(yīng)特性；而ZrB2-SiC-Cr材料化學(xué)反應(yīng)劇烈，催化再結(jié)

4、合效率高。同時(shí)經(jīng)預(yù)氧化處理的試樣其表面最高溫度和表面溫度波動(dòng)幅度均小于原始試樣，這是由于經(jīng)預(yù)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(shí)驗(yàn)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