研究背景：

氧化烧蚀是火箭喷嘴、再入飞行器等超高温度环境（>1875 K）下材料面临的关键现象。碳纤维复合材料作为优异的高温结构材料，能有效保护基体而获得广泛应用。研究碳复合材料的氧化烧蚀机理，对于极端高温环境下部件的热响应分析与结构设计具有重要意义。

研究简介：

本文旨在通过近场动力学方法建立热-化学耦合烧蚀模型。该理论模型将基于自由能密度函数构建，并根据燃烧、升华等具体烧蚀机制确定耦合模型的各项参数。耦合控制方程将在离散框架下采用积分形式进行求解。基于所建模型，我们将首先比较不同耦合策略对烧蚀表面温度及烧蚀速率的影响规律。在通过实验数据验证各耦合模型后，采用反应-扩散-热耦合模型研究传热、界面反应与氧扩散对烧蚀过程及形貌的耦合作用。数值结果表明：基于反应-扩散-热耦合模型能够有效描述反应-扩散控制的竞争机制，同时可准确捕捉反应速率随氧浓度和温度的变化规律，从而获得与实验数据更吻合的模拟结果。此外，对于具有不同反应速率的复合材料，该模型能够自然模拟出由反应机制导致的非均匀烧蚀形貌。

首先，考虑耦合模型下烧蚀过程中表面温度随时间的变化规律，如图1所示。相比于非耦合模型的传热过程，耦合模型结果可清晰地划分为四个阶段，分别描述了烧蚀过程中不同的控制阶段及耦合竞争机制。第一阶段为纯传热过程，温度持续上升直至超过反应活化能垒。第二阶段为燃烧阶段，由于燃烧放热作用，表面温度以递增速率上升。燃烧速率受表面氧浓度影响，而氧浓度又受扩散速率控制。在较高扩散速率下，燃烧放热速率显著增加。当等效扩散比为1时，扩散速率过低导致边界氧补充不足，致使反应近乎中止，在表面氧供应不足时燃烧放热停止。第三阶段表征燃烧与升华竞争达到平衡的状态，此时表面热源提供的热量未超过完全升华所需热量，表面温度稳定在预设的燃烧-升华转变温度。进入第四阶段后，表面反应完全由升华主导。上述结果证明，不同的热化耦合模型对最终表面温度、燃烧阶段的表面衰退速率修正效果显著。

图1 不同耦合策略对表面温度的影响

基于所提出的反应-扩散-热耦合模型，我们可以深入探究反应-扩散控制机制。不同扩散速率下的表面衰退速率如图2所示。可以清楚地观察到，考虑扩散系数随温度的变化是必要的。随着气体扩散速率的增加，参与反应的烧蚀表面氧浓度趋于饱和，浓度对烧蚀速率的影响逐渐减弱，表面烧蚀由扩散控制向反应控制转变。当扩散速率足够大时，烧蚀速率完全由反应过程控制。

图2 扩散控制向反应控制转变示意图

不同无量纲质量损失系数比下的烧蚀形貌模拟结果如图3所示。在此工况下，由于等效扩散系数相对较高，烧蚀表面在燃烧阶段发生完全反应，使表面温度能通过燃烧释放的热量迅速达到升华转变温度。该过程主要由升华主导的烧蚀机制所控制。随着质量损失系数比的增大，实验中观察到的典型针状烧蚀形貌开始显现，当比例系数为增至3时，纤维区域热量更难耗散，导致纤维根部温度显著高于其他区域。这种现象会加速相邻基体材料的升华过程，从而进一步促进非均匀烧蚀形貌的形成。

图3 不同无量纲质量损失系数比下的烧蚀形貌形成过程

本研究由河海大学计算力学与工程安全研究团队共同完成，将团队优势特色方向近场动力学与热化耦合理论相结合，为全面深入研究复合材料烧蚀破坏问题提供了新的思路。相关成果于2025年10月被期刊《International Journal of Thermal Sciences》上录用。本团队学术带头人黄丹教授为论文通讯作者，团队博士生何德威为论文第一作者。本研究得到了国家自然科学基金项目（No. 12402236, 12072104）、江苏省“青蓝工程”项目以及国家留学基金管理委员会的资助。。

《International Journal of Thermal Sciences》主要致力于发表机械工程、力学以及热力学方面的原创性研究成果。在中科院最新分区表中，该刊分区为工程技术类2区，最新影响因子为5.0。

撰稿：何德威

审核：陆映如