阅读说明：本技术 一种获取复合材料氧化膜层厚度的方法、装置及电子设备 (method and device for obtaining thickness of composite material oxide film layer and electronic equipment ) 是由 国义军 曾磊 刘骁 周述光 石友安 邱波 代光月 朱言旦 于 2019-08-16 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种获取复合材料氧化膜层厚度的方法、装置及电子设备,该方法从烧蚀过程的基本原理出发,通过理论分析和公式推导,给出了该类材料在惰性氧化阶段的通用表达式,建立了不同组分之间热物性数据的关系,从而根据纯物质的测量结果,通过简单计算得到复合材料的热物性参数,进而获得复合材料的氧化膜层厚度,根据复合材料氧化膜层厚度对飞行器的热防护性能进行判断,可使问题得到大大简化,并且避开工艺和杂质的影响,获得准确的数据,并可极大地缩短设计周期,此外,本发明方法具有通用性,适用范围广,实用性强。(The invention relates to a method, a device and electronic equipment for obtaining the thickness of an oxide film layer of a composite material, wherein the method starts from the basic principle of an ablation process, gives a general expression of the material in an inert oxidation stage through theoretical analysis and formula derivation, establishes the relation of thermophysical property data among different components, obtains thermophysical property parameters of the composite material through simple calculation according to the measurement result of a pure substance, further obtains the thickness of the oxide film layer of the composite material, judges the thermal protection performance of an aircraft according to the thickness of the oxide film layer of the composite material, greatly simplifies the problem, avoids the influence of the process and impurities, obtains accurate data, and can greatly shorten the design period.)

一种获取复合材料氧化膜层厚度的方法、装置及电子设备

技术领域

本发明涉及一种获取复合材料氧化膜层厚度的方法、装置及电子设备，属于航天飞行器热防护技术领域。

背景技术

以C/SiC复合材料为代表的超高温陶瓷复合材料，具有耐高温、抗氧化、低/非烧蚀特点，近年来受到航天型号设计师青睐，被广泛用于新一代高超声速飞行器关键部位热防护。这类材料在温度低于2600℃情况下(临近空间飞行器表面最高允许温度)，可能出现活性氧化和惰性氧化两种破坏机理，SiC的烧蚀取决于氧的分压、表面温度和材料微观结构及成份。在低压高温时，呈活性氧化，裸露的SiC与氧气直接反应生成气态产物SiO和CO，反应可能为扩散控制、反应速度控制或混合控制。逐渐增加氧浓度(或分压)，在某一状态下，将生成SiO₂抗氧化膜，抗氧化膜的存在阻止了氧气直接与表面材料的反应，氧气必须通过扩散穿过抗氧化膜才能到达SiC表面发生氧化反应，这一氧化过程称为惰性氧化。临近空间飞行器型号设计中，希望材料在沿弹道飞行过程中都处于惰性烧蚀范围，因此，氧化膜厚度的确定就成为判断氧化过程是否处于惰性烧蚀的关键。如果厚度逐渐减小并趋于零，将会发生惰性向活性氧化的转换，烧蚀量将大幅增加。

在进行氧化膜厚度计算时，必须要事先知道材料的氧化动力学数据，但不同材料研制单位通过不同工艺和添加不同杂质制造出的材料差别很大，而且即使同种材料不同批次也不完全相同，如果每次都有去测量材料的热物性和化学动力学数据，不仅费时费力，而且测量结果也不一定能适用于下一批次材料，如果时间不准确，可能由不烧蚀状态，变成快速烧蚀，后果将非常严重。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种获取复合材料氧化膜层厚度的方法，该方法从烧蚀过程的基本原理出发，通过理论分析和公式推导，给出了该类材料在惰性氧化阶段的通用表达式，建立了不同组分之间热物性数据的关系，从而根据纯物质的测量结果，通过简单计算得到复合材料的热物性参数，进而获得复合材料的氧化膜层厚度，可使问题得到大大简化，并且避开工艺和杂质的影响，获得准确的数据，并可极大地缩短设计周期。

本发明的另外一个目的在于提供一种获取复合材料氧化膜层厚度的装置。

本发明的再一个目的在于提供一种电子设备。

本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

一种获取复合材料氧化膜层厚度的方法，包括：

获取纯物质的物性参数；

根据纯物质的物性参数与复合材料的物性参数之间的关系，得到复合材料的物性参数；

根据复合材料的物性参数和复合材料的氧化膜层厚度计算公式，得到复合材料的氧化膜层厚度。

在上述获取复合材料氧化膜层厚度的方法中，所述纯物质的物性参数通过测量或者计算得到。

在上述获取复合材料氧化膜层厚度的方法中，所述复合材料为C/SiC，所述复合材料C/SiC的物性参数为C/SiC的烧蚀特征参数B_C/SiC和A_C/SiC；所述纯物质的物性参数为纯物质SiC的烧蚀特征参数B_SiC和A_SiC，或纯物质Si的烧蚀特征参数B_Si和A_Si.

在上述获取复合材料氧化膜层厚度的方法中，所述复合材料C/SiC的烧蚀特征参数B_C/SiC与纯物质SiC的烧蚀特征参数B_SiC、纯物质Si的烧蚀特征参数B_Si的关系如下：

B_C/SiC＝(3γ/2)B_SiC＝γB_Si

其中：γ为复合材料C/SiC的元素含量，具体表达式如下：

f_C＝F_C+F_SiCM_C/M_SiC

f_Si＝F_SiCM_Si/M_SiC

其中：f_C为碳元素的质量分数，f_Si为硅元素的质量分数，F_C为复合材料C/SiC中C组元的质量分数，F_SiC为复合材料C/SiC中SiC组元的质量分数，M_Si为Si组元的分子量，M_SiC为SiC组元的分子量。

在上述获取复合材料氧化膜层厚度的方法中，所述复合材料C/SiC的烧蚀特征参数A_C/SiC与纯物质SiC的烧蚀特征参数A_SiC、纯物质Si的烧蚀特征参数A_Si的关系如下：

A_C/SiC＝A_SiC＝A_Si。

在上述获取复合材料氧化膜层厚度的方法中，所述复合材料的氧化膜层厚度计算公式如下：

其中：x₀为复合材料的氧化膜厚度，A、B为复合材料的物性参数，t为时间，τ为积分初值，即：

x_i为假设的初始厚度。

在上述获取复合材料氧化膜层厚度的方法中，所述复合材料为C/SiC时，复合材料C/SiC的氧化膜层厚度计算公式如下：

其中：x₀为复合材料C/SiC的氧化膜厚度，A_C/SiC、B_C/SiC为复合材料C/SiC的烧蚀特征参数，t为时间，τ为积分初值，即：

x_i为假设的初始厚度。

在上述获取复合材料氧化膜层厚度的方法中，复合材料C/SiC的氧化膜层厚度计算公式通过如下方法得到：

(1)、复合材料C/SiC的惰性氧化反应和蒸发反应过程如下：

(2)、设复合材料C/SiC中C组元的质量分数为F_C，SiC组元的质量分数为F_SiC，则碳元素和硅元素的质量分数为：

f_C＝F_C+F_SiCM_C/M_SiC

f_Si＝F_SiCM_Si/M_SiC

其中：f_C为碳元素的质量分数，f_Si为硅元素的质量分数，F_C为复合材料C/SiC中C组元的质量分数，F_SiC为复合材料C/SiC中SiC组元的质量分数，M_Si为Si组元的分子量，M_SiC为SiC组元的分子量；

设复合材料C/SiC的烧蚀质量流率为根据步骤(1)中的反应过程，各组元的质量流率存在以下关系式：

或改写为

其中：为组元i的摩尔流率，i代表以上各组元；

根据步骤(1)中的反应方程，生成SiO₂层厚度公式如下：

其中：x₀为氧化膜厚度，t为时间，为SiO₂液态层密度，为SiO₂组元的分子量，γ定义为：

(3)、氧气在SiO₂中的扩散由Fick定律描述如下：

其中：D为氧在SiO₂中的扩散系数，为氧气质量浓度；

边界条件：

a)外表面：氧气浓度由氧在SiO₂中的溶解度得到

其中：H为亨利常数，为氧在壁面的分压；

b)内表面：假定通过SiO₂膜的氧全部与C/SiC材料反应，则

其中：为C/SiC氧化反应的速率常数，C_i为O₂在SiO₂—C/SiC交界面的浓度；

对上述微分方程进行积分，得氧化膜中氧的浓度为

当整个氧化过程由扩散控制时，反应速率足够快，则足够大，由此得到：

将(式14)代入式(8)，得到：

积分得到：

改写为：

一种获取复合材料氧化膜层厚度的装置，包括纯物质参数获取模块、复合材料参数获取模块和膜层厚度计算模块，其中：

纯物质参数获取模块：用于获取纯物质的物性参数，并将获取的纯物质的物性参数发送给复合材料参数获取模块；

复合材料参数获取模块：接收所述纯物质的物性参数，根据纯物质的物性参数与复合材料的物性参数之间的关系，得到复合材料的物性参数，并将所述复合材料的物性参数发送给膜层厚度计算模块；

膜层厚度计算模块：接收所述复合材料的物性参数，根据复合材料的物性参数和复合材料的氧化膜层厚度计算公式，计算得到复合材料的氧化膜层厚度。

一种电子设备，包括存储器及处理器：

所述存储器用于存储一条或多条计算机指令；

所述处理器用于执行所述一条或多条计算机指令，以用于：

获取纯物质的物性参数；

根据纯物质的物性参数与复合材料的物性参数之间的关系，得到复合材料的物性参数；

根据复合材料的物性参数和复合材料的氧化膜层厚度计算公式，得到复合材料的氧化膜层厚度。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)、本发明提出一种获取复合材料氧化膜层厚度的方法，利用已有单组分纯物质材料的烧蚀特征参数，通过理论关系式，不需直接测量复合材料本身，即可获得复合材料的烧蚀特征参数，进一步得到复合材料的氧化膜层厚度，从而可以快速进行新一代高超声速飞行器热防护设计计算分析，大大节省人财物力和时间，而且提高了参数的准确性，极大地缩短设计周期。

(2)、本发明方法是通过建立不同组分之间热物性数据的关系，根据其中一种材料的测量结果，通过换算得到另外一种复合材料的热物性参数，就可使问题得到大大简化，并且避开工艺和杂质的影响，获得准确的数据。

(3)、本发明给出了纯物质物性参数与复合材料物性参数之间的关系式，以及复合材料氧化膜层厚度的计算公式，具有显著的创新性，上述理论公式具有通用性，能够覆盖不同组分的同一类型物质，可以确定它们之间烧蚀率的倍数关系，并且可以获得准确的氧化膜层厚度，适用范围广，实用性强。

(4)、本发明从理论上给出了不同材料的B和B/A之间的关系式，可以根据某一组分的烧蚀特征参数确定相关的另外一种材料的相应参数，将复杂问题简单化，具有测量准确、成本低、周期短、操作简便等优势，并且根据计算得到的复合材料氧化膜层厚度对飞行器的热防护性能进行判断，若厚度趋于0，表明复合材料将会出现快速烧蚀，达不到飞行器保持形状不变的目的；若厚度不为零(显著大于初值)，表明复合材料处于惰性氧化区，不会出现快速烧蚀，满足飞行器保持形状不变的目的。

附图说明

图1为本发明获取复合材料氧化膜层厚度的方法流程图；

图2为本发明F_SiC和温度对速率常数的影响示意图，其中图2a为抛物速率常数B；图2b为线性速率常数B/A；

图3为本发明不同温度下氧化膜厚度随时间变化图，其中图3a为F_SiC＝0.1；图3b为F_SiC＝1.0。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

如图1所示为本发明获取复合材料氧化膜层厚度的方法流程图，本发明获取复合材料氧化膜层厚度的方法具体包括如下步骤，下面以复合材料C/SiC为例：

(一)、确定C/SiC复合材料惰性氧化反应过程和反应方程。惰性氧化是指在C/SiC表面形成一层SiO₂保护膜，氧气必须通过扩散穿过氧化膜才能到达C/SiC并与之反应，交界面反应方程式为

惰性氧化过程包含以下几个过程：

1)氧气通过边界层扩散至SiO₂表面并溶解；

2)氧气扩散穿过SiO₂液体层到达SiO₂—C/SiC交界面；

3)在SiO₂—C/SiC交界面上，氧气与C/SiC发生化学反应生成SiO₂和CO，使氧化膜厚度增加；

4)反应产物CO穿过SiO₂氧化膜向外扩散；

5)在氧化膜外表面发生蒸发反应，SiO₂分解为SiO和O₂，即

使氧化膜变薄。

(二)、根据反应动力学原理，确定烧蚀率微分方程。为了得到通用关系式，设C/SiC中C组元的质量分数为F_C，SiC组元的质量分数为F_SiC，则碳元素和硅元素的质量分数为：

f_C＝F_C+F_SiCM_C/M_SiC (4)

f_Si＝F_SiCM_Si/M_SiC (5)

式中：f_C为碳元素的质量分数，f_Si为硅元素的质量分数，F_C为复合材料C/SiC中C组元的质量分数，F_SiC为复合材料C/SiC中SiC组元的质量分数，M_i为组元i的分子量，具体为：M_Si为Si组元的分子量，M_SiC为SiC组元的分子量。

设复合材料C/SiC的烧蚀质量流率为根据反应方程(1)和(2)，各组元的质量流率存在以下关系式

或改写为

这里为组元i的摩尔流率，i代表以上各组元，如J_CO为反应产物CO由表面向边界层外扩散的摩尔流率，为由边界层扩散至C/SiC表面的氧气流率。

根据反应方程(1)，生成SiO₂层厚度由下式决定

式中：x₀为氧化膜厚度，t为时间，为SiO₂液态层密度，这里γ定义为

对于纯SiC(即F_SiC＝1)，则γ＝2/3；对于纯C(即F_C＝1)，γ＝0；对于纯Si，γ＝1。即将C、Si、SiC、C/SiC四种材料的公式统一起来，而且复合材料C/SiC中的C和SiC可以有不同的混和比，复合材料C/SiC中的C和SiC的混和比不同时，γ取值不同。

(三)、积分求解烧蚀率方程，获得氧化膜厚度理论公式。氧气在SiO₂中的扩散由Fick定律描述

其中：D为氧在SiO₂中的扩散系数，为氧气质量浓度。

边界条件：

1)外表面：氧气浓度由氧在SiO₂中的溶解度得到

式中H为亨利常数，为氧在壁面的分压。

2)内表面：假定通过SiO₂膜的氧全部与C/SiC材料反应，则

式中为C/SiC氧化反应的速率常数，C_i为O₂在SiO₂—C/SiC交界面的浓度。

对上述微分方程(10)进行积分，得氧化膜中氧的浓度为

当整个氧化过程由扩散控制时，反应速率足够快，则足够大，由此

将(14)式代入前面(8)式，得

积分得到：

其中：

式中m＝1/γ。

(17)式可以改写为

由于系数A和B中的有些物理量很难直接获得，通常直接由试验测定A和B/A。

(四)、确定不同组元之间化学动力学参数的关系。目前，C/SiC复合材料的生产厂家有很多，不同厂家采用的工艺也不同，其中基体SiC根据制备方法不同可分为单晶SiC、化学蒸汽沉积SiC(CVD-SiC)、烧结SiC和热压SiC等，依据晶体结构大致可分为α－SiC和β－SiC两类。晶体SiC的氧化行为具有方向性，材料中是否含有杂质对氧化速率也有很大影响。如果对每一批次的材料都进行测量，不仅浪费财力物力和时间，也没有必要，如果能够从理论上给出不同材料的B和B/A之间的关系式，就可根据某一组分的烧蚀特征参数确定相关的另外一种材料的相应参数，将会使问题得到大大简化。

根据上面给出的公式得到复合材料C/SiC的烧蚀特征参数B_C/SiC与纯物质SiC的烧蚀特征参数B_SiC、纯物质Si的烧蚀特征参数B_Si的关系如下：

B_C/SiC＝(3γ/2)B_SiC＝γB_Si (23)

这样利用纯物质Si或SiC的数据，经过计算，可以获得复合材料C/SiC的相应物性数据。纯物质不含杂质，便于实施，测量结果准确可靠，γ为复合材料C/SiC的与元素含量有关的参数。

(五)、测量纯物质的烧蚀特征参数。在实验室中，测量纯物质的烧蚀特征参数属于成熟技术，具体测试设备和测量方法可采用相关文献资料，这里不再详细介绍。对纯SiC，文献有以下测量结果

其中B₀＝524.19μm²/hr，B_p＝119244；B₀′＝1.505×10⁶μm²/hr，B′_p＝230000；(B/A)₀＝5.8087×10⁶μm/hr，B_L＝195800。注意，高温和低温时活化能量是不一样的，以1673K为分界线，当T<1673K时，活化能较低，大约120～140KJ/mol，主要是氧分子在非晶SiO₂中的扩散；当T>1673K时，出现氧离子扩散，同时SiO₂由非晶态向多晶态转化，使得氧输运变慢。

如图1所示，以复合材料C/SiC为例，本发明获取复合材料C/SiC氧化膜层厚度的方法具体包括如下步骤：

一、在实验室中制备Si或SiC纯物质，测量其物性参数B和B/A，也可以从文献中查得这两个数据。

二、根据纯物质的物性参数与复合材料的物性参数之间的关系，得到复合材料的物性参数，即：

根据复合材料C/SiC的烧蚀特征参数B_C/SiC与纯物质SiC的烧蚀特征参数B_SiC、纯物质Si的烧蚀特征参数B_Si的如下关系式，计算得到复合材料C/SiC的烧蚀特征参数B_C/SiC：

B_C/SiC＝(3γ/2)B_SiC＝γB_Si

其中：γ为复合材料C/SiC的元素含量参数，具体表达式如下：

f_C＝F_C+F_SiCM_C/M_SiC

f_Si＝F_SiCM_Si/M_SiC

其中：f_C为碳元素的质量分数，f_Si为硅元素的质量分数，F_C为复合材料C/SiC中C组元的质量分数，F_SiC为复合材料C/SiC中SiC组元的质量分数，M_Si为Si组元的分子量，M_SiC为SiC组元的分子量。

根据复合材料C/SiC的烧蚀特征参数A_C/SiC与纯物质SiC的烧蚀特征参数A_SiC、纯物质Si的烧蚀特征参数A_Si的如下关系式，计算得到复合材料C/SiC的烧蚀特征参数A_C/SiC：

A_C/SiC＝A_SiC＝A_Si。

三、将复合材料C/SiC的烧蚀特征参数B_C/SiC和A_C/SiC，代入如下复合材料C/SiC的氧化膜层厚度计算公式，得到氧化膜层厚度x₀。

其中：x₀为复合材料C/SiC的氧化膜厚度，A_C/SiC、B_C/SiC为复合材料C/SiC的烧蚀特征参数，t为时间，τ为积分初值小量，定义为：

x_i为假设的初始厚度(小量)，这里可取

根据计算得到的复合材料氧化膜层厚度对飞行器的热防护性能进行判断，若厚度逐渐减小并趋于0，表明复合材料将发生快速烧蚀，达不到飞行器保持形状不变的目的；若厚度不为零(显著大于初值)，表明复合材料处于惰性氧化区，不会出现快速烧蚀，满足飞行器保持形状不变的目的。

本发明中温度和组分含量对系数A和B会产生影响，如图2所示给出了F_SiC和温度对抛物速率常数B和线性速率常数B/A的影响。这里考虑了晶态结构对氧扩散的影响。如图3所示给出了F_SiC＝0.1和F_SiC＝1时不同温度下氧化膜厚度随时间变化情况。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。