超高溫陶瓷材料催化特性及機(jī)理研究

本課題以高超聲速飛行器頭錐、翼前緣等關(guān)鍵熱端部件對(duì)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(xué)非平衡流的服役環(huán)境下表面催化效應(yīng)的研究，并在超高溫陶瓷材料表面催化特性的表征、催化機(jī)理的揭示等科學(xué)問題的基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新上獲得了顯著的成果。通過2011至2013年三年的實(shí)驗(yàn)和基礎(chǔ)理論研究，自主搭建了催化實(shí)驗(yàn)地面評(píng)價(jià)設(shè)備；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，實(shí)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(shí)利用等離子體風(fēng)洞，通過流場(chǎng)診斷結(jié)合數(shù)值模擬的方法分析了超高溫陶瓷材料對(duì)流場(chǎng)的熱響應(yīng)，并計(jì)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(gòu)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(duì)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(duì)其表面催化效應(yīng)的影響，明確了材料對(duì)流場(chǎng)的熱響應(yīng)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(yīng)過程，研究了不同反應(yīng)機(jī)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(guān)系；通過實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)、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(yīng)機(jī)理，為非燒蝕型熱防護(hù)材料設(shè)計(jì)、組分優(yōu)選及氣動(dòng)熱載荷的精確預(yù)測(cè)提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

鑒于非燒蝕型防熱材料表面催化特性對(duì)飛行器表面氣動(dòng)加熱、抗氧化性、能量傳導(dǎo)與耗散效率等方面的重要性，本項(xiàng)目開展超高溫陶瓷材料表面催化特性的試驗(yàn)研究，通過理論、試驗(yàn)與計(jì)算相結(jié)合的方法建立超高溫陶瓷材料表面催化特性測(cè)試系統(tǒng)、試驗(yàn)技術(shù)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(fù)合效率對(duì)氣動(dòng)加熱的影響及天地?fù)Q算技術(shù)，為熱防護(hù)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供材料催化特性數(shù)據(jù)和理論基礎(chǔ)；弄清超高溫陶瓷材料的表面催化機(jī)理，獲得降低催化復(fù)合效率的途徑，為非燒蝕型防熱材料的性能的改進(jìn)提供理論指導(dǎo)。

近年來我國(guó)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(jī)理，從而采取合理的支護(hù)措施和施工方法是目前極需解決的問題。項(xiàng)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(yàn)等綜合方法，開展了大斷面黃土隧道施工時(shí)空效應(yīng)分析及支護(hù)結(jié)構(gòu)作用機(jī)理研究，主要研究?jī)?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(shí)空效應(yīng)分析；（3）大斷面黃土隧道系統(tǒng)錨桿作用機(jī)理及效果研究；（4）大斷面黃土隧道格柵鋼架作用機(jī)理及適應(yīng)性研究。 項(xiàng)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(jì)算模型，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)變形數(shù)據(jù)，分析了施工過程時(shí)空效應(yīng)。建立了大斷面黃土隧道錨桿作用數(shù)值計(jì)算模型和離心試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，闡明了錨桿作用機(jī)理，通過大斷面黃土隧道有、無(wú)系統(tǒng)錨桿現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，明確提出大斷面黃土隧道應(yīng)取消系統(tǒng)錨桿。建立了黃土隧道圍巖特征曲線和支護(hù)特征曲線力學(xué)計(jì)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(jī)理，通過現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)，分析了格柵拱架適應(yīng)性，提出大斷面黃土隧道應(yīng)采用格柵拱架支護(hù)，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(yàn)應(yīng)用，為我國(guó)大斷面黃土隧道順利修建提供了重要理論基礎(chǔ)和工程借鑒。 項(xiàng)目發(fā)表論文7篇，其中EI論文6篇，申請(qǐng)發(fā)明專利3項(xiàng)；培養(yǎng)博士生2名，碩士生4名，參加國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議3次，國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)會(huì)議3次；研究成果獲得省部級(jí)二等獎(jiǎng)1次，國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1次。 2100433B