第 1 章 绪 论
在气动热载荷中由于激波层内高焓离解气体的温度大于飞行器表面温度，因此对飞行器表面的辐射加热、对流加热和传导加热难以克服，只能通过控制防热材料的特性，减小高焓离解气体对飞行器的化学加热、增加飞行器表面辐射热耗散的方式缓解飞行器表面的气动热载荷。值得庆幸的是，这一点已得到实验验证，材料表面属性的变化可有改变离解气体对材料表面的化学加载，大幅度降低防热材料表面的温度（如图 1-1 所示），从而在气动环境不变的条件下极大地缓解对防热材料在超高温区的热/力性能的压力，而这种温度的变化源于化学非平衡激波层内离解原子在防热材料表面发生催化反应而释放的催化反应热。因此，非平衡热环境与防热材料耦合问题中的“表面催化效应”成为防热材料高温力学性能研究的一个全新领域，是关系到近空间高超声速飞行成败的关键问题之一。探究化学非平衡流场环境中材料表面催化反应的作用机理以及材料表面响应，以通过防热材料改性、优化设计实现气动热载荷的主动控制成为世界发达国家极为重视和重点支持的研究热点，材料表面催化特性也逐渐成为评价防热材料是否应用于高超声速飞行器的关键参数。
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第 2 章 催化特性实验表征方法研究
2.1引言
本章从催化反应的原理出发，发展基于原子浓度损耗的催化特性实验测试与表征方法，以射频感性耦合等离子体为核心，建立压力、温度以及原子浓度独立调节的表面催化特性实验室测试系统，并根据光谱诊断技术构建了氧原子浓度空间分辨在线测试子系统以及以非接触式为主的材料表面温度、形貌、发射率的同步原位测试子系统，为防热材料表面催化机理研究、表征与评价以及新型防热材料设计提供实验基础。
2.2 催化特性表征方法
材料表面催化反应过程大致分为五个独立与时间相关的反应机制（如图2-1）：首先，离解气氛中的原子扩散至材料表面，扩散机制可以利用修正的Fick 定律来表示；随后反应原子到达材料表面发生化学或者物理吸附，并与气相中的原子（Eley-Rideal(E-R)机制）或者移动至另一吸附原子附近（Langumir-Hinschelwood(L-H)机制）反应再结合成分子，经解吸附后离开表面，扩散至气相。其中扩散过程仅仅取决于流动组分的动力学性能，吸附、表面再结合反应以及解吸附过程与材料表面的化学性能有关，由于再结合反应均为放热反应，将在表面释放大量的化学能，从而增加表面热流密度，进一步加剧表面热载荷。这种由催化反应产生的热载荷取决于原子再结合速率及释放的化学能，通常采用以下四个参数表征和评价材料表面催化特性.
第 3 章 催化表面氧原子浓度光谱诊断 .......................... 55
3.1引言 ........................................... 55
3.2氧原子浓度数值模拟 ........................ 55
第 4 章 氧化演化对表面催化特性的扰动分析 ............ 83
4.1引言 .................. 83
4.24.2 ZrB2-SiC 材料氧化演化行为研究 ..................... 83
第 5 章 材料表面催化特性的实验研究 .......................... 122
5.1 引言 ................................. 122
5.2 催化表征方法的可靠性验证 ................ 122
5.3 环境对材料表面催化特性的影响 ........................ 124
第 6 章 催化特性表征方法的差异性分析
6.1引言
面对这一现存的问题，本文与中国空气动力研究与发展中心（CARDC）高频等离子风洞研究室合作，利用该研究室 500kW 高频等离子风洞并基于“能量法”开展 ZrB2-SiC 催化实验测试。在实验环境及参数的设定上，充分发挥实验室测试系统多参数独立调节的优势，分别调节测试环境中温度、氧分压、氧原子浓度三个关键参数，确保与高频等离子风洞环境对应参数最大程度的匹配，尽量减小环境参数的偏差对差异性分析的影响。对比基于“能量法”的风洞测试和基于“原子损耗法”的实验室测试结果，从两种方法的本质出发，分别从环境参数、材料响应以及测试精度等方面对比分析两种实验方法的差异性。为探究实验方法和表征算法的不确定性，基于实验室测试系统建立类似的热平衡表征方法并获得材料表面催化特性，以完善实验室催化测试评价体系。
6.2基于能量法的高频等离子风洞测试
在基于“能量法”的风洞测试中，以美国 NASA 为代表的主要采用电弧风洞进行测试，而欧洲 VKI、IRS 以及 IPM 则采用高频等离子风洞。经过实验对比分析发现，电弧风洞中高温气体会侵蚀电极产生的铜蒸汽污染，在试样表面沉降后改变其催化反应，而高频等离子风洞能够产生高焓的纯净等离子流场，有效的进行材料表面催化特性测试。因此，本文选用中国空气动力研究与发展中心高频等离子风洞，开展 ZrB2-SiC 材料表面催化特性测试研究。
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结 论
本文主要结论:
（1）针对高频等离子风洞催化测试存在流场重构复杂、参数耦合以及成本高等诸多限制以及我国现阶段实验室测试体系匮乏的现状，根据材料表面催化反应机理分析及材料表面催化模型，分别基于“原子损耗”和“能量法”构建了材料表面催化特性实验室表征方法；设计并建立了以射频感性耦合等离子体为核心的表面催化特性实验室测试系统，可获得放电等离子腔内原子浓度的无扰动测试以及高温氧原子模拟环境下材料表面温度、形貌以及发射率等响应特征，测温范围（200~2200℃），且各实验参数独立，便于耦合和解耦的特点，能够实现材料表面催化、氧化以及辐射特性同步原位测试与评价，为深入开展防热材料原理性研究提供实验平台；
（2）基于日冕模型建立了氧原子浓度光谱诊断方法；获得了不同状态下反应腔内等离子体参数和氧原子浓度分布，随着放电功率的增加，电子温度、密度、气体温度以及氧原子浓度均有所提高，而随着气压的增加，除气体温度其余均呈下降趋势；分别对比基于麦克斯韦方程、N-S 方程的数值模拟和 Kapton质量损失法实验结果，三者吻合较好，验证了测试方法的可靠性。
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参考文献（略）