梯度陶瓷化复合材料(BPR/MoSi2/SiO2)的烧蚀-隔热性能优化与有限元模拟研究

研究人员针对热防护材料性能优化需求，通过预浸料模压工艺制备了硼酚醛树脂(BPR)/MoSi2/石英织物梯度陶瓷化功能材料(CFGMs)。创新性地采用三层梯度结构设计（CTPP/GTP/CTIP），通过ABAQUS模拟验证了梯度过渡层(GTP)对热应力的分散作用。最优结构的CFGM-3在氧乙炔烧蚀60秒时背面温度降低91°C，CFGM-4线烧蚀率降至0.0032 mm/s，表面形成的致密共晶膜有效阻隔热氧渗透。该研究为多功能热防护材料设计提供了新思路。

　　

这项突破性研究揭示了梯度陶瓷化复合材料在极端环境下的防护机制。科研团队巧妙设计了三明治结构：顶层的陶瓷化热防护层(CTPP)含高浓度MoSi₂填料，中间梯度过渡层(GTP)实现组分连续变化，底部的碳化隔热层(CTIP)则保持多孔结构。

当遭遇3000°C氧乙炔火焰时，CTPP层发生惊艳的相变——MoSi₂与SiO₂形成玻璃态共晶层(_{eutectic film})，像智能防护盾般动态调节热流。ABAQUS热力学模拟显示，GTP层成功将峰值热应力降低37%，避免材料层间剥离。更有趣的是，CTIP层碳化后形成的乱层碳结构(_{turbostratic carbon})如同纳米级迷宫，将导热系数压制在0.12 W/(m·K)以下。

扫描电镜(SEM)捕捉到关键证据：烧蚀表面呈现熔融-结晶的"蜥蜴皮"微观形貌，这种自愈合结构有效封堵氧化裂纹(_{oxidation crack})的扩展路径。性能数据令人振奋——最优配方的线烧蚀率较传统材料降低9%，而背面温度骤降近100°C，这相当于为航天器穿上了一件会"智能呼吸"的隔热外套。