超高溫陶瓷材料催化特性及機理研究

本課題以高超聲速飛行器頭錐、翼前緣等關鍵熱端部件對超高溫陶瓷材料的需求為背景，開展了超高溫陶瓷材料在模擬高焓、低壓、化學非平衡流的服役環(huán)境下表面催化效應的研究，并在超高溫陶瓷材料表面催化特性的表征、催化機理的揭示等科學問題的基礎理論和實驗創(chuàng)新上獲得了顯著的成果。通過2011至2013年三年的實驗和基礎理論研究，自主搭建了催化實驗地面評價設備；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，實現(xiàn)了超高溫陶瓷材料表面催化特性的定性和定量表征；同時利用等離子體風洞，通過流場診斷結(jié)合數(shù)值模擬的方法分析了超高溫陶瓷材料對流場的熱響應，并計算了材料的催化再結(jié)合系數(shù)；揭示了不同材料組分、表面微結(jié)構等材料特征參數(shù)及表面溫度、氣體壓力等環(huán)境特征參數(shù)對超高溫陶瓷材料表面催化特性的影響規(guī)律；探討了超高溫陶瓷材料的高溫氧化行為對其表面催化效應的影響，明確了材料對流場的熱響應是氧化、催化、輻射等共同作用的結(jié)果；揭示了氣相原子與材料表面在分子尺度上催化再結(jié)合反應過程，研究了不同反應機制下材料催化特性及材料催化再結(jié)合系數(shù)和氣體壓力、溫度之間的定量關系；通過實驗評價、仿真模擬和理論分析相結(jié)合的方法揭示了超高溫陶瓷材料催化反應機理，為非燒蝕型熱防護材料設計、組分優(yōu)選及氣動熱載荷的精確預測提供理論基礎和技術支撐。

鑒于非燒蝕型防熱材料表面催化特性對飛行器表面氣動加熱、抗氧化性、能量傳導與耗散效率等方面的重要性，本項目開展超高溫陶瓷材料表面催化特性的試驗研究，通過理論、試驗與計算相結(jié)合的方法建立超高溫陶瓷材料表面催化特性測試系統(tǒng)、試驗技術和數(shù)據(jù)處理方法，獲得超高溫陶瓷材料表面催化特性，研究催化復合效率對氣動加熱的影響及天地換算技術，為熱防護系統(tǒng)的優(yōu)化設計提供材料催化特性數(shù)據(jù)和理論基礎；弄清超高溫陶瓷材料的表面催化機理，獲得降低催化復合效率的途徑，為非燒蝕型防熱材料的性能的改進提供理論指導。

近年來我國高速鐵路及公路工程中修建了大量大斷面黃土隧道，揭示大斷面黃土隧道變形特征及初支與圍巖作用機理，從而采取合理的支護措施和施工方法是目前極需解決的問題。項目以多座鐵路及公路大斷面黃土隧道為依托，采用理論分析、數(shù)值模擬、離心試驗等綜合方法，開展了大斷面黃土隧道施工時空效應分析及支護結(jié)構作用機理研究，主要研究內(nèi)容如下：（1）大斷面黃土隧道變形特性；（2）大斷面黃土隧道施工過程時空效應分析；（3）大斷面黃土隧道系統(tǒng)錨桿作用機理及效果研究；（4）大斷面黃土隧道格柵鋼架作用機理及適應性研究。 項目收集了大量大斷面黃土隧道變形數(shù)據(jù)，明確了其變形規(guī)律，建立大斷面黃土隧道施工過程數(shù)值模擬計算模型，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測變形數(shù)據(jù)，分析了施工過程時空效應。建立了大斷面黃土隧道錨桿作用數(shù)值計算模型和離心試驗模型，闡明了錨桿作用機理，通過大斷面黃土隧道有、無系統(tǒng)錨桿現(xiàn)場試驗，明確提出大斷面黃土隧道應取消系統(tǒng)錨桿。建立了黃土隧道圍巖特征曲線和支護特征曲線力學計算模型，分析了格柵拱架 噴射混凝土、型鋼拱架 噴射混凝土與圍巖作用機理，通過現(xiàn)場對比試驗，分析了格柵拱架適應性，提出大斷面黃土隧道應采用格柵拱架支護，建立了大斷面黃土隧道施工及變形控制體系。研究成果在鄭西高速鐵路，寶蘭客專、武西高速等工程了開展了試驗應用，為我國大斷面黃土隧道順利修建提供了重要理論基礎和工程借鑒。 項目發(fā)表論文7篇，其中EI論文6篇，申請發(fā)明專利3項；培養(yǎng)博士生2名，碩士生4名，參加國際學術會議3次，國內(nèi)學術會議3次；研究成果獲得省部級二等獎1次，國家科技進步二等獎1次。 2100433B