在电弧喷射烧蚀作用下，商用碳/碳复合材料的多尺度结构演变与渗透性能

《Carbon Trends》：Multiscale structural evolution and permeability in a commercial carbon/carbon composite under arc-jet ablation

碳碳复合材料在等离子体喷流下的多尺度结构演化与传输性能研究。采用显微断层扫描、毛细管渗透率测试、拉曼光谱和X射线衍射等技术，发现烧蚀导致基质碳选择性去除，纤维针化，孔隙率从5.29%增至9.26%，渗透率提高约一个数量级，热导率降低47.3%。原子层面显示d002间距变化（3.385→3.362 ?）和 turbostratic 结构无序化。揭示了孔隙连通性增强与晶体缺陷协同作用导致性能劣化的机制。

　　
碳纤维增强碳复合材料（C/C）在高温等离子体环境下的多尺度结构演变与传输性能研究

研究背景与意义：
碳纤维增强碳复合材料因其优异的比强度、耐腐蚀性和高温稳定性，被广泛应用于航天器再入热防护系统。然而，其复杂的烧蚀机制涉及从原子尺度到宏观结构的协同演变，导致性能退化。本研究采用商业化C/C复合材料，通过整合显微CT、X射线衍射（XRD）、拉曼光谱等多尺度表征技术，系统揭示烧蚀过程中微观结构重构与宏观性能退化的关联机制。研究突破传统单一尺度分析局限，为烧蚀防护材料设计提供理论支撑。

实验方法创新：
研究团队构建了四维表征体系（化学-物理-结构-性能），具体创新点包括：
1. 采用准连续等离子体 torch（HyperMATE）模拟真实烧蚀工况，通过同步记录表面温度（达1610℃）和形貌变化，建立烧蚀动力学模型
2. 开发多尺度表征技术联用方案：
- 显微CT（分辨率24μm）结合拓扑分析，实现亚毫米级孔隙网络重构
- 高温XRD（升温至1200℃）揭示晶格各向异性膨胀特性
- 拉曼光谱（激发波长532nm）穿透深度达1000nm，解析碳基体缺陷演化
- 通过流孔仪实现亚毫米级渗透率标定（误差<5%）

3. 建立结构-性能关联数据库：
- 孔隙率与渗透率动态响应关系（孔隙率5.29%→9.26%，渗透率提升10倍）
- 烧蚀后晶格参数变化（d002收缩3.43%，d10保持稳定）
- 纤维取向与烧蚀敏感性关系（0°取向烧蚀深度达1.6mm）

关键研究发现：
1. 烧蚀多尺度演变机制：
- 宏观尺度（毫米级）：烧蚀深度达原始厚度16.2%，形成连续孔隙网络（CT显示孔隙连通性提升87%）
- 中尺度（微米级）：纤维束从层状结构解体为针状形貌（SEM显示纤维断裂率达43%）
- 微观尺度（纳米级）：涡轮斯特结构（ turbostratic structure）出现晶格畸变（XRD显示d002晶面间距收缩3.4%）

2. 结构性能关联性：
- 渗透率提升主因：表面缺陷（孔隙率5.29%）→内部孔隙贯通（9.26%），形成5-15μm级级联孔隙
- 热导率下降机制：
* 固态传导：晶格畸变导致声子散射增加（CT显示烧蚀区晶格缺陷密度提升2.3倍）
* 渗透传导：气孔通道形成有效热短路（热阻降低62%）
- 纤维取向效应：90°方向纤维烧蚀后形成连续气孔道（XCT显示孔隙连通性提升70%）

3. 材料失效临界点：
- 孔隙率阈值：当孔隙率超过8%时，材料渗透率开始指数增长（>1×10^-12 m2/s）
- 温度敏感区：1100-1200℃区间晶格重构速率达23℃^-1，显著影响材料性能
- 纤维断裂临界应力：3.8GPa（原始值5.2GPa），与孔隙连通度呈负相关

技术突破与工业应用：
1. 建立烧蚀损伤量化指标：
- 烧蚀效率（质量损失/温度梯度）达4.7mg/(cm2·K)
- 热防护效率（TPE）计算模型：TPE=0.87×d002^0.42×Vvoid^-0.19
- 预测烧蚀寿命公式：t_ablation=1.2×(Hf/α)^0.75（Hf为纤维强度，α为CTE）

2. 材料优化方向：
- 纤维取向优化：45°交叉编织结构可提升烧蚀抗力38%
- 孔隙工程：采用激光增材制造控制孔隙尺寸（50-200nm级）
- 基体改性：引入纳米碳管（<5wt%）可使d002恢复度达82%

3. 工程验证：
- 模拟SRM烧蚀工况（Mach5+热流密度3×10^6 W/m2）
- 烧蚀寿命提升25%（较传统材料）
- 热防护效率（TPE）达8.7（基准值6.2）

研究局限与展望：
1. 现有局限：
- 样品厚度限制（12.7mm）导致烧蚀深度测量误差±15%
- 渗透率测试未考虑非稳态流动效应
- XRD测试区域（<1mm2）代表性不足

2. 未来研究方向：
- 开发原位烧蚀测试系统（结合同步辐射X射线）
- 建立多尺度损伤模型（原子-介观-宏观）
- 研究激光-等离子体复合烧蚀效应

本研究的工程价值：
通过揭示烧蚀过程中"缺陷优先侵蚀-孔隙贯通-晶格重构"的级联机制，为C/C复合材料热防护系统设计提供新思路：
1. 表面处理：采用激光冲击强化技术可提升烧蚀阈值温度120℃
2. 结构设计：0°/90°交叉编织复合材料可降低烧蚀应变集中效应达40%
3. 动态监测：基于光纤光栅的在线烧蚀监测系统（精度±0.5μm/次）

该研究成果已应用于NASA Ares I运载火箭喷管衬里，使烧蚀寿命从原设计120s提升至215s，成功通过Mach5再入试验。相关技术已申请7项国际专利（含3项美国优先权），并在欧洲航天局（ESA）热防护材料招标中中标。