《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Ablation behavior of carbon/carbon thermal protection structures with directional heat transfer
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•具有定向传热功能的C/C复合材料孔隙尺度耦合热烧蚀模型。•发现定向传热表现出显著的阶段性依赖效应。•揭示了烧蚀与碳纤维直径、纤维排布间距之间的关系。•最高温度随纤维直径增大而升高，随纤维排布间距增大而降低。引言随着高超声速飞行器的快速发展，其热防护要求日益严苛。在服役过程中
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具有定向传热功能的C/C复合材料孔隙尺度耦合热烧蚀模型。
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发现定向传热表现出显著的阶段性依赖效应。
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揭示了烧蚀与碳纤维直径、纤维排布间距之间的关系。
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最高温度随纤维直径增大而升高，随纤维排布间距增大而降低。
引言
随着高超声速飞行器的快速发展，其热防护要求日益严苛。在服役过程中，这些飞行器会经历严重的空气动力加热，特别是在前缘等关键区域，这将对运行安全构成严重威胁。当前的热防护系统主要包括主动[1]、[2]、半被动[3]、[4]和被动[5]、[6]三种方法。烧蚀热防护作为一种半被动方法，被广泛应用于飞行器热防护[7]。碳/碳(C/C)复合材料因其低密度、高比强度和优异的机械性能而被广泛应用于烧蚀热防护领域。然而，在极端服役条件下，强烈的局部空气动力加热会使这些复合材料的局部温度达到非常高的水平。当温度超过400 °C时，C/C复合材料会发生快速氧化；当温度超过1800 °C时[8]、[9]，强烈的局部热流会导致烧蚀和材料不均匀退缩，这可能导致结构损坏和材料失效，从而限制了C/C复合材料的应用。热管理结构可以将热量从高温区域传导至低温区域，从而降低局部过热，均衡温度场，减轻局部烧蚀。因此，本研究将热管理结构与C/C烧蚀材料相结合，以解决高超声速飞行器中严重的局部氧化和烧蚀问题。
各种方法已被用于研究C/C复合材料的烧蚀机制。例如，Zhao等人[10]开发了一种孔隙尺度格点玻尔兹曼模型，用于模拟多孔碳复合材料在气相流下烧蚀与裂解的耦合过程。他们发现，较高的佩克莱数会产生对流性的"虫洞"侵蚀，而树脂裂解通过吸热使烧蚀持续时间延长了约30%，多孔炭渣阻力进一步提高了抗烧蚀性能。Liu等人[11]研究了C/C复合材料烧蚀中应力诱导的力-化学耦合效应，推导了一个应力依赖的烧蚀速度模型。拉应力促进针状退缩，而压应力则有利于形成平台状形貌。Han等人[12]开发了一个包含气-固氧化的C/C复合材料热-力-化学本构模型，并将其实现于有限元软件中。氧化使弹性模量和强度分别降低了15%和17.6%，而纤维束间的优先基体氧化和裂纹辅助的氧气扩散则加速了进一步的性能退化。为满足航空航天领域对烧蚀材料日益增长的性能要求，研究人员还通过掺杂改性C/C复合材料。此类改性可以提高结构强度和抗烧蚀性能。Zhang等人[13]通过在C/C复合材料中引入中相沥青碳纤维作为热传导通道，提高了其抗烧蚀性能和热导率，在30 s烧蚀后，表面与背面的温差仅为495.9 °C。除掺杂外，涂层技术也被广泛用于提高C/C复合材料性能。Lv等人[14]利用超音速大气等离子喷涂技术在C/C复合材料表面制备了高熵硼化物(Hf-Zr-Ta-Ti)B?保护层。经过60 s氧乙炔烧蚀后，实测线性退缩率仅为1.14 μm/s。抗烧蚀性能的改善主要归因于多元素的协同效应：富钛液相有助于封闭涂层表面的缺陷，而Ta相关的层状结构则提高了抗热冲击性能。然而，无论是掺杂还是涂层技术，都无法完全解决C/C复合材料在服役期间面临的局部高热流问题。导热热防护不同于纯粹的隔热策略，它通过将热量从局部过载区域重新分配至热需求较低的区域，从而有助于使温度场均匀化。相关研究已对此概念进行了探索。Wang等人[15]提出了一种基于格点玻尔兹曼方法(LBM)并结合体积分数方法的孔隙尺度C/C烧蚀模型。他们的结果表明，空气动力加热加速了界面演化，而较大的压力梯度和黏度则减弱了烧蚀。Zaman等人[16]制备了三维(3D)定向C/C复合材料，评估了其热氧化和烧蚀性能。该复合材料表现出准各向同性的热性能，且等离子烧蚀比氧乙炔烧蚀更为严重。Ji等人[17]通过数值方法研究了L形C/C复合材料中的定向传热，分析了孔隙率和纤维直径的影响。由于孔隙和纤维传热的竞争效应，有效热导率随温度和纤维直径的增加而增大。
总之，C/C复合材料的烧蚀机制已基本阐明，并已开发出各种提高其抗烧蚀性能和结构性能的方法。然而，传统的掺杂改性和涂层技术仍然无法有效解决飞行器前缘处的严重局部烧蚀问题。基于导热热传导的保护结构能够将从高热流区域重新分配热量到低温区域，为减轻飞行器前缘局部烧蚀提供了一种有效的解决方案。因此，为解决这一局部烧蚀问题，本研究通过开发一种结合定向碳纤维传热路径的孔隙尺度体积烧蚀模型，将C/C复合材料烧蚀与导热热保护相结合。与主要关注C/C材料制备、宏观定向传热行为或单独烧蚀建模的研究不同，本研究耦合了外部空气动力加热、内部定向导热、气-固反应、裂解气扩散和形貌演化，并量化了马赫数、纤维直径和纤维排布间距对残余基体分数和平均基体温度的影响。本工作的创新之处在于阐明了定向传热的阶段性依赖作用，即早期的热量再分配和后期的纤维引起局部加热，并为在烧蚀抑制与热量积聚之间取得平衡提供了设计指导。
章节摘要
物理问题描述
此处考虑的服务环境为大气层再入飞行，钝体热防护结构配置如图1(a)和(b)所示。在该结构中，碳纤维束嵌入碳基体中形成定向热传导通道。由于碳纤维具有较高的热导率，纤维促进热量从高温区域向外传输，而基体主要稳定纤维排布，并通过其热…
网格无关性检验
图4展示了网格无关性验证的曲线图。当网格分辨率达到80 × 80 × 80时，温度变化变得可以忽略不计，表明网格收敛已有效实现。综合考虑模型生成时间、计算效率和求解精度之间的平衡，最终在所有后续仿真中采用100 × 100 × 100的网格尺寸。
鉴于当前耦合热-烧蚀过程的复杂性，模型…
结论
本研究调查了具有定向热传导功能的C/C复合材料热防护结构，重点考察了马赫数、碳纤维直径和纤维排布间距对烧蚀行为和热响应的影响。定向传热对热防护性能具有明显的阶段性依赖效应。在烧蚀的早期和中期阶段，定向传热结构将热量从高热流前缘区域重新分配至下游…
CRediT作者贡献声明
Yu Wang：撰写–审阅与编辑，撰写–原稿，验证，软件，资源，调查，数据整理。Yiran Hu：撰写–审阅与编辑，撰写–原稿，可视化，方法论，调查，数据整理。Mengfan Li：撰写–审阅与编辑，撰写–原稿，可视化，验证，监督，数据整理。Ruiwu Lei：撰写–审阅与编辑，撰写–原稿，监督，软件，项目管理，调查…
利益冲突声明
作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文所报告的工作。
致谢
本工作得到陕西省自然科学基础研究计划（编号：2025JC-JCQN-017）和跨域飞行跨学科技术重点实验室（编号：2024-KF01004）的资助。
Yu Wang | Yiran Hu | Mengfan Li | Ruiwu Lei | Hui Wang
