超高温陶瓷材料催化特性及机理研究

本课题以高超声速飞行器头锥、翼前缘等关键热端部件对超高温陶瓷材料的需求为背景，开展了超高温陶瓷材料在模拟高焓、低压、化学非平衡流的服役环境下表面催化效应的研究，并在超高温陶瓷材料表面催化特性的表征、催化机理的揭示等科学问题的基础理论和实验创新上获得了显著的成果。通过2011至2013年三年的实验和基础理论研究，自主搭建了催化实验地面评价设备；发展了基于热平衡原理的壁面温度响应法和基于等离子体光谱诊断技术的光化学法，实现了超高温陶瓷材料表面催化特性的定性和定量表征；同时利用等离子体风洞，通过流场诊断结合数值模拟的方法分析了超高温陶瓷材料对流场的热响应，并计算了材料的催化再结合系数；揭示了不同材料组分、表面微结构等材料特征参数及表面温度、气体压力等环境特征参数对超高温陶瓷材料表面催化特性的影响规律；探讨了超高温陶瓷材料的高温氧化行为对其表面催化效应的影响，明确了材料对流场的热响应是氧化、催化、辐射等共同作用的结果；揭示了气相原子与材料表面在分子尺度上催化再结合反应过程，研究了不同反应机制下材料催化特性及材料催化再结合系数和气体压力、温度之间的定量关系；通过实验评价、仿真模拟和理论分析相结合的方法揭示了超高温陶瓷材料催化反应机理，为非烧蚀型热防护材料设计、组分优选及气动热载荷的精确预测提供理论基础和技术支撑。

鉴于非烧蚀型防热材料表面催化特性对飞行器表面气动加热、抗氧化性、能量传导与耗散效率等方面的重要性，本项目开展超高温陶瓷材料表面催化特性的试验研究，通过理论、试验与计算相结合的方法建立超高温陶瓷材料表面催化特性测试系统、试验技术和数据处理方法，获得超高温陶瓷材料表面催化特性，研究催化复合效率对气动加热的影响及天地换算技术，为热防护系统的优化设计提供材料催化特性数据和理论基础；弄清超高温陶瓷材料的表面催化机理，获得降低催化复合效率的途径，为非烧蚀型防热材料的性能的改进提供理论指导。

近年来我国高速铁路及公路工程中修建了大量大断面黄土隧道，揭示大断面黄土隧道变形特征及初支与围岩作用机理，从而采取合理的支护措施和施工方法是目前极需解决的问题。项目以多座铁路及公路大断面黄土隧道为依托，采用理论分析、数值模拟、离心试验等综合方法，开展了大断面黄土隧道施工时空效应分析及支护结构作用机理研究，主要研究内容如下：（1）大断面黄土隧道变形特性；（2）大断面黄土隧道施工过程时空效应分析；（3）大断面黄土隧道系统锚杆作用机理及效果研究；（4）大断面黄土隧道格栅钢架作用机理及适应性研究。 项目收集了大量大断面黄土隧道变形数据，明确了其变形规律，建立大断面黄土隧道施工过程数值模拟计算模型，结合现场监测变形数据，分析了施工过程时空效应。建立了大断面黄土隧道锚杆作用数值计算模型和离心试验模型，阐明了锚杆作用机理，通过大断面黄土隧道有、无系统锚杆现场试验，明确提出大断面黄土隧道应取消系统锚杆。建立了黄土隧道围岩特征曲线和支护特征曲线力学计算模型，分析了格栅拱架 喷射混凝土、型钢拱架 喷射混凝土与围岩作用机理，通过现场对比试验，分析了格栅拱架适应性，提出大断面黄土隧道应采用格栅拱架支护，建立了大断面黄土隧道施工及变形控制体系。研究成果在郑西高速铁路，宝兰客专、武西高速等工程了开展了试验应用，为我国大断面黄土隧道顺利修建提供了重要理论基础和工程借鉴。 项目发表论文7篇，其中EI论文6篇，申请发明专利3项；培养博士生2名，硕士生4名，参加国际学术会议3次，国内学术会议3次；研究成果获得省部级二等奖1次，国家科技进步二等奖1次。 2100433B