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固液混合火箭发动机因其存贮安全、温度敏感性低、推力调节范围大等优势，成为新一代航天动力系统的研究热点。然而，喷管喉衬在高温燃气和粒子冲刷下的烧蚀问题，成为制约其长时稳定工作的关键因素。传统固体发动机使用的石墨、C/C材料无法长时间耐受氧化气氛，而C/SiC材料仅能满足2 000 ℃短时使用，难以满足固液发动机的工作需求。因此，开发具有优异抗烧蚀性能的新型复合材料成为迫切需求。碳化锆（ZrC）具有高熔点、低饱和蒸汽压等特性，能够显著提高碳基材料的抗氧化烧蚀性能。C/C-SiC-ZrC复合材料通过引入ZrC，展现出优异的抗烧蚀潜力，但其在固液发动机环境下的性能尚需验证。

02、创新亮点

（1）实验方法创新

采用固液发动机热试车实验，模拟真实工作环境，直接考核C/C-SiC-ZrC复合材料喷管在粒子冲刷与氧化烧蚀并存条件下的性能，克服了传统氧-乙炔烧蚀方法的局限性。

（2）多Al粒子含量梯度设计

实验设置了无Al粒子、10%Al粒子和20%Al粒子三种配方，系统研究了铝粒子含量对喷管烧蚀性能的影响，揭示了铝粒子冲刷对烧蚀速率的关键作用。

（3）微观形貌与产物分析

利用SEM和EDS技术，深入分析了烧蚀后喷管的微观形貌和表面元素分布，揭示了铝粒子氧化产物对基体材料的冲刷剥蚀机制。

（4）烧蚀机理模型建立

结合实验结果和数值模拟，建立了不同Al粒子含量下的烧蚀机理模型，阐明了氧化烧蚀与粒子冲刷的耦合作用机制，为优化喷管材料设计提供了理论依据。

03、图文展示

图2 不同Al粒子含量烧蚀后喷管形貌

Fig.2 Surface morphologies of the nozzle after ablation process with different content of Al particles 

图4 不同Al粒子烧蚀后材料XRD谱图

Fig.4 XRD patterns of the nozzle composites after ablation with different content of Al particles

 图5 无金属粒子烧蚀喷管形貌：(a), (b)喉部; (c)扩张段；(d)基体

Fig.5 Micro-morphologies of nozzle after ablation test without metal particles: (a), (b) throat; (c) divergent section; (d)matrix

图11 不同Al粒子含量烧蚀环境：(a)压力；(b)温度；(c)CO₂；(d)H₂O；(e)O₂；(f)C₄H₆

Fig.11 Simulation ablation environment for the nozzle with different Al particles: (a) pressure; (b) temperature; (c)CO₂; (d)H₂O；(e)O₂；(f)C₄H₆

图12 材料烧蚀机理示意图：（a）不含粒子燃气；（b）10%Al燃气；（c）20%Al燃气

Fig.12 Sketch map of ablation mechanism for nozzle composites: (a) gas without particle; (b) gas with 10%Al particles; (c) gas with 20%Al particles

04、结论

（1）铝粒子含量对烧蚀率的影响：随着铝粒子含量的增加，C/C-SiC-ZrC复合材料喷管的平均线烧蚀率显著增加。无Al粒子时烧蚀率为0.001 mm/s，而20%Al粒子时烧蚀率增至0.105 mm/s，表明铝粒子冲刷是控制烧蚀的主要因素。

（2）氧化烧蚀与粒子冲刷的耦合作用：在无Al粒子环境下，喷管主要发生氧化烧蚀；随着Al粒子含量增加，粒子冲刷逐渐成为主导因素，导致基体材料快速剥蚀。

（3）材料抗烧蚀性能优化方向：提高表层陶瓷基体的抗冲刷性能是提升C/C-SiC-ZrC复合材料整体抗烧蚀性能的关键。未来可通过优化材料组分和微观结构，进一步增强其在固液发动机环境下的耐烧蚀能力。

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