高温烧蚀实验

一、定义与实验目标

‌定义‌

高温烧蚀实验是通过模拟极端高温环境（如火焰、等离子体、激光等热源），评估材料在高温下的烧蚀速率、热稳定性及抗热冲击能力的标准化测试方法。

‌核心目标‌

‌性能评估‌：量化材料在高温下的质量损失、表面形貌变化及残余强度，验证其抗烧蚀性能；

‌安全验证‌：确保航空航天热防护系统、火箭发动机等关键部件在极端环境下的可靠性。

二、实验方法与设备

‌主流测试方法‌

‌热流烧蚀试验‌：利用热流烧蚀试验机模拟高温高速气流，记录材料质量损失与表面温度变化（典型热流密度范围：1~10 MW/m²）；

‌火焰烧蚀试验‌：通过氧乙炔火焰（温度≥3000℃）测试材料抗烧蚀能力，如西北工业大学研究中HEC涂层的线性烧蚀率低至1.45 μm/s；

‌激光烧蚀试验‌：采用高能激光器（如CO₂激光）精确控制热源参数，分析材料在局部高温下的烧蚀形貌；

‌等离子体烧蚀试验‌：模拟大气再入环境，测试材料在高温等离子体流中的抗烧蚀性能5。

‌关键设备‌

‌高温炉‌：支持1400~1600℃恒温测试，用于航空材料抗烧蚀性能考核；

‌氧乙炔烧蚀试验台‌：提供4.18 MW/m²热流密度，广泛用于涂层材料验证；

‌热冲击试验机‌：模拟骤冷骤热环境，评估材料热循环耐受性。

三、核心性能指标

‌烧蚀率‌

‌线性烧蚀率‌：单位时间内材料厚度减少量，如高熵碳化物（HEC）涂层在氧乙炔火焰中线性烧蚀率仅1.45 μm/s；

‌质量烧蚀率‌：高温下单位面积的质量损失速率，需结合热重分析仪（TGA）精确测量。

‌热稳定性与残余强度‌

‌热稳定性‌：材料在高温下保持物理化学性质的能力，可通过高温炉（1600℃）考核；

‌残余强度‌：烧蚀后材料的力学性能保留率，如航空六院试验中需评估1400℃烧蚀后的抗拉强度衰减。

‌其他参数‌

‌烟雾与毒性‌：分析材料燃烧时产生的有害气体（需符合GB/T 9286标准）；

‌热辐射抵抗性‌：评估材料对热辐射的反射与吸收能力。

四、应用领域与典型案例

‌航空航天‌

‌热防护系统‌：验证C/C复合材料、超高温陶瓷基复合材料的抗烧蚀性能，如湖南博翔新材研发的C/C-超高温陶瓷复合材料可耐2300℃高温烧蚀；

‌发动机部件‌：测试火箭喷管、燃烧室涂层的抗热冲击能力。

‌军事装备‌

‌导弹鼻锥‌：通过等离子体烧蚀试验优化高熵碳化物涂层的热防护性能；

‌装甲材料‌：评估陶瓷基复合材料在激光武器攻击下的抗烧蚀能力。

‌能源与工业‌

‌核反应堆材料‌：考核石墨材料在高温等离子体中的稳定性；

‌冶金设备‌：验证耐火材料在电弧炉极端环境下的使用寿命。

五、标准与优化方向

‌行业标准‌

‌GB/T 9286‌：规范涂层材料高温烧蚀后的力学性能测试流程；

‌ISO 2685‌：定义航空发动机部件火焰烧蚀试验的通用要求。

‌技术优化‌

‌材料改性‌：通过纳米增强体（如碳纤维、BN）提升复合材料的抗烧蚀性能；

‌工艺升级‌：采用先驱体浸渍裂解（PIP）工艺实现陶瓷相与纤维的双连续分布；

‌设备智能化‌：集成高精度传感器与AI算法，提升烧蚀率测量的实时性与准确性。

通过系统化高温烧蚀实验，可精准量化材料在极端环境下的性能极限，为航空航天、军事装备等领域的关键材料研发提供科学支撑。