一、 【導讀】

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

二、【成果掠影】

北京理工大學王一光課題組、南京航空航天大學易敏課題組、中國空氣動力研究與發(fā)展中心王國林課題組利用高頻等離子體風洞產生離解氧環(huán)境，研究了碳化硅在該環(huán)境中的氧化行為。在實驗中，同時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-拋物線曲線擬合實驗數據，以區(qū)分氧化層的生成和損失過程。通過分子動力學模擬和空氣動力學計算，發(fā)現SiC的氧化受離解氧擴散通過二氧化硅晶體結構中的通道擴散控制，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。

三、【數據概覽】

在以下四個狀態(tài)開展氧化實驗

表1 實驗狀態(tài)參數

圖1 樣品表面溫度曲線

圖2 樣品表面氧化層厚度統(tǒng)計

圖3 整體厚度隨氧化時間的變化

圖1-5 反應速率隨氧化溫度的變化以自然對數尺度表示

計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結果：(a) 模擬氧在SiO₂中擴散的初始結構模型；(b) SiO₂晶體；(c) O原子的擴散軌跡

表4 表面SiO₂損失速率計算和實驗結果

通過邊界層擴散計算可以得到，表面SiO₂的損失是通過升華以后進入邊界層后迅速流走導致。

圖4 圖形摘要

五、結論

實驗結果證明了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驗支撐。在高頻等離子風洞產生的離解氧環(huán)境中，SiC表面同時發(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? 晶體內的通道擴散控制著氧化過程。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氣相SiO₂，擴散到邊界層中與原子氧反應生成SiO，而導致表面的氧化層不斷損失。在表面沒有發(fā)生主動氧化的條件下，材料表面的會逐漸達到穩(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先進結構技術研究院任科助理教授與王一光教授，南京航空航天大學易敏教授，中國空氣動力研究與發(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.