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主要作者与机构及发表信息
这项研究由罗磊（Lei Luo）、王义广（Yiguang Wang，通讯作者）、刘丽萍（Liping Liu）等主导完成，他们分别隶属于中国西北工业大学热结构复合材料科技重点实验室和中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力学研究所。该研究于2016年2月26日被接受，并在《Carbon》期刊上发表，文章标题为“Ablation behavior of C/SiC composites in plasma wind tunnel”。
研究背景
本研究属于材料科学领域，特别是碳纤维增强碳化硅复合材料（C/SiC composites）在高温环境下的烧蚀行为研究。这类材料因其高抗氧化性、低密度和优异的机械性能，被认为是航天器热防护系统（Thermal Protection System, TPS）的理想候选材料。然而，在大气层再入或近空间高超声速飞行过程中，这些材料会面临极端的气动热环境，其烧蚀行为直接影响TPS的性能和可靠性。
为了模拟航天器在实际飞行条件下的服役环境，研究团队选择了等离子风洞（Plasma Wind Tunnel）作为实验平台。等离子风洞能够提供高焓、低压和解离流环境，是研究材料烧蚀行为的重要工具。尽管已有研究探讨了C/SiC复合材料在等离子风洞中的烧蚀行为，但对其烧蚀机制的理解仍然有限，尤其是表面温度跳跃现象的原因尚未明确。
本研究旨在系统研究C/SiC复合材料在等离子风洞中的烧蚀行为，包括氧化行为、温度跳跃现象及其背后的物理化学机制。通过实验数据和分析，揭示不同热流密度和滞止压力条件下材料的烧蚀特性，为改进C/SiC复合材料在实际应用中的性能提供理论支持。
研究流程
本研究包括以下主要步骤：
样品制备
样品采用三维针刺毡技术制备，使用T-300™碳纤维（日本东丽公司）和短切纤维网交替堆叠而成。随后，通过化学气相渗透（Chemical Vapor Infiltration, CVI）方法致密化样品，并在其表面沉积一层致密的碳化硅（SiC）涂层。最终样品的密度控制在~2.1-2.2 g/cm³，开孔率约为9%。
实验装置与条件
实验在中国空气动力研究与发展中心的超高音速空气动力学研究所进行，使用了一台1 MW高频等离子体发生器（Plasmatron）。等离子体气体通过电磁感应产生，实验条件包括不同的热流密度（3.5-5.7 MW/m²）和滞止压力（4500-6600 Pa）。样品被加工成直径20 mm、长度50 mm的球头形状，并安装在石墨夹具中。
测试过程
烧蚀实验持续时间为600秒或900秒，具体时间取决于是否出现温度跳跃现象。实验中使用红外高温计（±20°C精度）实时监测样品表面温度，并通过高清摄像机记录样品形态变化。烧蚀后，样品的微观结构通过扫描电子显微镜（SEM）和能量色散光谱（EDS）进行表征。
数据分析
数据分析包括测量烧蚀前后样品的质量损失、SiC涂层厚度变化以及表面氧化层的形成情况。通过对比不同实验条件下的结果，研究团队进一步计算了SiC的侵蚀速率（Erosion Rate），并利用Arrhenius方程分析了温度和压力对侵蚀速率的影响。
主要结果
1. 低热流密度和滞止压力条件下的烧蚀行为
在低热流密度（如3.5 MW/m²）和滞止压力（如4500 Pa）条件下，样品CS-1至CS-3未观察到明显的温度跳跃现象。烧蚀后，样品表面覆盖了一层致密的二氧化硅（SiO₂）保护层，其厚度约为10 μm。这一现象表明，在低温和低压条件下，原子氧氧化（Atomic Oxygen Oxidation）是主要的烧蚀机制。
高热流密度和滞止压力条件下的烧蚀行为
在高热流密度（如5.7 MW/m²）和滞止压力（如6600 Pa）条件下，样品CS-4和CS-5出现了显著的温度跳跃现象，表面温度从约1850°C迅速上升至2400°C。烧蚀后，样品表面的SiC涂层完全消耗，仅剩下裸露的碳纤维。这表明，在高温和高压条件下，SiC的升华或分解成为主要的烧蚀机制。
温度跳跃现象的机制
温度跳跃现象的主要原因是SiC涂层被完全消耗后，裸露的碳纤维直接暴露于等离子体流中。碳纤维的催化性质导致了大量热量释放，从而引发了温度跳跃。此外，碳纤维的燃烧反应（生成CO或CO₂）也是温度升高的重要原因之一。
侵蚀速率的分析
通过对不同实验条件下SiC侵蚀速率的计算，研究团队发现，侵蚀速率随温度和压力的升高而显著增加。在CS-1至CS-3条件下，侵蚀速率较低（0.011-0.058 mm/s），而在CS-4和CS-5条件下，侵蚀速率急剧增加至2.0 mm/s。这表明，随着温度和压力的升高，SiC的烧蚀机制从氧化转变为升华或分解。
研究结论
本研究表明，在低热流密度和滞止压力条件下，C/SiC复合材料的烧蚀行为主要受原子氧氧化控制，SiO₂保护层的形成有效减缓了材料的侵蚀。然而，在高热流密度和滞止压力条件下，SiC的升华或分解成为主要的烧蚀机制，导致材料快速失效。温度跳跃现象的发生与SiC涂层的完全消耗密切相关，裸露的碳纤维直接暴露于等离子体流中，引发了剧烈的催化反应和燃烧反应。
这项研究为理解C/SiC复合材料在极端环境下的烧蚀行为提供了重要的实验数据和理论支持，有助于优化材料设计，提高其在航天器热防护系统中的性能。
研究亮点
1. 首次系统研究了C/SiC复合材料在等离子风洞中的烧蚀行为，揭示了不同热流密度和滞止压力条件下的烧蚀机制。
2. 提出了温度跳跃现象的详细机制，强调了SiC涂层消耗后碳纤维暴露的重要性。
3. 开发了一种基于侵蚀速率的分析方法，用于量化SiC在不同条件下的烧蚀行为。
其他有价值内容
研究团队还讨论了C/SiC复合材料在实际应用中的潜在改进方向，例如通过优化SiC涂层的厚度和结构来延长材料的服役寿命。此外，研究结果对于开发新型热防护材料具有重要参考价值。