基于图像的 C/SiC 复合材料在多次电弧射流暴露下的可重复使用性评估

概述

可重复使用热防护系统（TPS）对于确保飞行器在反复承受高热流和氧化环境条件下的任务可靠性至关重要。应用于鼻锥和前缘的 TPS 必须由具备优异高温性能和抗氧化能力的热防护材料（TPMs）构成。碳/碳化硅（C/SiC）复合材料因其优异的抗氧化和抗烧蚀性能以及卓越的高温力学性能，被认为是可重复使用热防护系统的理想候选材料。

本研究建立了一种基于图像的评估程序，用以评估 TPMs 在多次电弧射流暴露下的可重复使用性。采用 0.4  MW 电弧加热风洞对针刺结构碳/碳化硅（NP-C/SiC）复合材料进行电弧风洞试验，以模拟大气再入条件。施加 3.12  MW/m² 的热通量，对两个试样分别进行 10 × 60 s和 4 × 150 s 的重复暴露。试验期间，使用高温计和热电偶实时测量表面及内部温度，并测量表面烧蚀后退率和质量损失。通过场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）和能量色散 X 射线光谱仪（EDS）观察表面氧化行为。采用 micro-CT 获取感兴趣区域（ROI）内的孔隙率数据，并进行基于图像的有限元分析（FEA），计算微观结构变化对热导率的影响。

试验

将碳纤维束和短纤维网交替堆叠，随后用带刺针穿过厚度方向（z 向），以机械方式缠绕纤维层，从而提高层间结合强度。材料经历结合聚合物浸渍裂解（PIP）和液相渗硅（LSI）的致密化工艺，显著降低残余碳含量，提高抗氧化性能。所得 NP-C/SiC 复合材料的密度约为2.0 g/cm³，制备的两个试样分别命名为 NPCS-01 和 NPCS-02。

重复电弧风洞试验分为 Test-1 和 Test-2，在三个阶段评估试样状况：试验前（Pre）、第一组暴露完成后（Post-1）及所有暴露完成后（Post-2）。为研究重复次数和暴露时长对热防护性能及可重复使用性的影响，在保持总热载荷和热通量恒定的前提下，对 NPCS-01 和 NPCS-02 试样分别进行 10 次 60 s 和 4 次 150 s 的暴露，总暴露时间均为 600 s。

图像处理和模拟

使用 Bruker Skyscan 1272 对 Pre、Post-1 和 Post-2 阶段的试样进行 micro-CT 扫描，空间分辨率约为 5.5 μm。为分析孔隙和热导率分布随深度的变化，沿试样表面向内选取 5 个立方体（1.1 × 1.1 × 1.1 mm³）作为感兴趣区域，依次标记为 ROI1 至 ROI5。另外，设置一个感兴趣区域 ROI-∞ 作为内部参考区。

在 Simpleware 软件的 ScanIP 模块，基于灰度阈值分割出每个 ROI 的固体相与孔隙相，计算孔隙率。在 FE 模块，采用 +FE Grid 算法为模型生成高质量的四面体网格，单元总数约 4000 万。

为评估不同区域之间热导率的相对变化，计算归一化的有效热导率。该分析采用理想化热导率赋值：固体相为 1，孔隙相为 0。通过设置 Dirichlet 边界条件，在各 ROI 上施加恒定的温度梯度，以确保数值稳定性并避免因孔隙与模型边界相交而可能产生的奇异性。求解由傅里叶热传导定律推导出的拉普拉斯方程进行有限元分析，对体积平均温度场与热通量场进行后处理得到有效热导率。

结果与分析

表面烧蚀后退和质量损失

尽管施加的热通量高达 3.12 MW/m²，远高于典型再入条件（1.5 MW/m²），两个试样均表现出较高的抗烧蚀劣化能力。根据 Post-2 与 Pre 阶段之间的差值测得的表面后退率较低，质量损失也相对较小。结果表明，即使在严苛的高温条件下，NP-C/SiC 复合材料仍具备优异的抗氧化和抗烧蚀性能。

NPCS-02 的表面后退率和质量损失均大于 NPCS-01，差异归因于 NPCS-02 每次热暴露的持续时间更长，促使其从被动氧化向主动氧化的转变更为显著。在该转变过程中，保护性 SiO₂ 保护层挥发为 SiO 气体，导致表面后退和质量损失增加。

表面和内部温度

在整个重复试验过程中，两个试样均未出现热响应延迟或显著的温度波动，表现出优异的热稳定性。内部结构保留了热传导路径，整体传热性能没有明显下降。

孔隙率和热导率

在电弧射流暴露之前，内部参考区域（ROI-∞）的基准孔隙率：NPCS-01 为 0.1062，NPCS-02 为 0.1130。两个试样孔隙率的增加主要出现在近表面（ROI-1 和 ROI-2），内部（ROI-3 至 ROI-5）变化极小，与 ROI-∞ 水平相当。NPCS-02 的孔隙率增幅大于 NPCS-01，这种更显著的变化归因于从被动氧化向主动氧化的转变。结果表明，即使在重复电弧射流暴露后，NP-C/SiC 复合材料的内部微观结构基本保持不变，支持其具备潜在的可重复使用性。

在电弧射流暴露前，两个试样的平均归一化有效热导率相近：NPCS-01 为 0.8519，NPCS-02 为 0.8590。从 Pre 到 Post-2 阶段，NPCS-01 近表面（ROI-1 和 ROI-2）的热导率降低，而内部（ROI-3 至 ROI-5）变化极小，表明整体热性能得到有效保持。NPCS-02 热导率的表现亦类似。

结论

本研究建立了一种基于图像评估可重复使用热防护材料在多次电弧射流暴露下的性能。两个 NP-C/SiC 复合材料试样均表现出较低的表面烧蚀后退率和较小的质量损失，显著的微观结构变化和有效热导率降低仅局限于试样的近表面区域。结果表明，NP-C/SiC 作为可重复使用航天器关键部件的可重复使用热防护材料具有可行性。

参考

• Han N, Lee S, Jang S, et al. Image-Based Reusability Assessment of C/SiC Composites under Repeated Arc-Jet Exposures[J]. SiC Composites under Repeated Arc-Jet Exposures.

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