高超声速飞行器飞行过程中，会面临复杂的高超声速流动环境。飞行器表面强烈的气动加热效应导致飞行器表面温度急剧升高。同时，高速气流会与飞行器表面发生复杂的气固相互作用，对飞行器防护材料造成严重的氧化侵蚀，这种极端热力耦合效应会引发材料性能退化乃至整体失效。因此，飞行器表面气固相互作用的研究对于飞行器热防护系统（TPS）的构建至关重要，已成为高超声速飞行器研发过程中的关键技术瓶颈。碳化硅（SiC）得益于其轻质、耐高温、耐腐蚀等优异性能，成为航空航天领域重要的热防护材料，广泛应用于飞行器鼻锥、机翼前缘等关键部位。然而，在高温恶劣的服役环境下，SiC会发生表面氧化，可能导致其热、力学性能的下降，以及防护系统退化，甚至造成一些灾难性的后果。同时，高超声速飞行器起降阶段、跨大气层机动或执行特殊任务过程中，雨雪、冰雹等复杂潮湿的气象环境难以避免。此外，水作为飞行器发汗冷却的重要冷却剂，可能对SiC的氧化过程造成严重影响。因此研究SiC在高温复杂水氧耦合环境中的氧化过程对于TPS的可靠性研究具有重要意义。

本文主要的工作内容如下：

（1）基于反应分子动力学（RMD）对现有包含Si/C/O/H原子的ReaxFF力场势函数进行了系统性评估。通过分析拟合条件和侧重点，同时对现有多个势函数进行了测试，发现不同拟合条件下获得的势函数之间存在显著差异，且适用性具有较强的针对性。最终选用了Newsome等人针对SiC在H₂O/O₂体系中氧化过程拟合的势函数进行后续研究。

（2）通过对SiC在纯氧及水氧混合环境中的氧化过程进行模拟，通过控制反应过程中的温度、气体分压、水分子浓度等变量，对SiC氧化速率的影响进行分析。随后通过追踪反应过程中的关键反应路径以及氧化层结构重构过程，对水氧耦合氧化环境下的作用机理进行系统性研究。结果表明，在氧化初期，水分子通过界面反应生成氢过氧基（-OOH）中间产物，显著降低了SiC氧化的反应能垒，加速了氧化过程。然而，随着反应的进行，羟基（-OH）钝化和氧分压的降低导致氧化速率逐渐减缓，进而出现抑制现象。

（3）对氧化层随时间的演化过程进行研究发现，在水氧混合环境中，SiC表面首先生成一层致密的SiO₂膜，但随着反应的进行，部分SiO₂转化为Si₂O₃，导致氧化层的致密性提高，阻碍了氧原子的深入扩散，实现了对SiC深层氧化的有效抑制。

（4）针对SiC氧化分子动力学模拟过程中误差产生的原因进行分析。通过统计平均方法以及体系尺寸扩展减小了统计涨落误差的影响，在保证计算效率的前提下，提高了计算数据的准确性以及模拟结果的可靠性。