厚壁碳-碳復(fù)合材料等溫化學(xué)氣相沉積致密化過(guò)程瞬態(tài)數(shù)值模擬.pdf

1、等溫化學(xué)氣相沉積法(ICVI)由于工藝成熟穩(wěn)定、控制簡(jiǎn)單，成為制備高性能碳/碳復(fù)合材料最為常用的方法。但是對(duì)于厚壁碳/碳復(fù)合材料，由于壁厚增加導(dǎo)致沉積過(guò)程更為復(fù)雜，難以采用ICVI方法獲得高質(zhì)量的制件。通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法研究厚壁碳/碳材料的致密化過(guò)程致密化的機(jī)理成本高、周期長(zhǎng)，并且難以覆蓋所有的工藝。采用數(shù)值模擬方法研究碳/碳復(fù)合材料的制備過(guò)程，因其成本低、周期短，現(xiàn)已逐漸成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
　　傳統(tǒng)的數(shù)值模擬研究中，均將ICVI

2、過(guò)程處理成準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)過(guò)程，溫度不隨時(shí)間變化，并且忽略了對(duì)流對(duì)預(yù)制體的影響，對(duì)厚壁材料的模擬可能引入較大的誤差。本文建立了碳/碳復(fù)合材料ICVI致密化過(guò)程的有限差分瞬態(tài)模型，模擬瞬態(tài)的溫度場(chǎng)、流動(dòng)場(chǎng)、濃度場(chǎng)分布，以及預(yù)制體孔隙率、密度隨時(shí)間的衍化過(guò)程，分析了各種工藝參數(shù)對(duì)厚壁碳/碳復(fù)合材料致密化過(guò)程的影響機(jī)理。主要包含以下內(nèi)容：
　　首先，建立了厚壁預(yù)制體ICVI致密化過(guò)程的瞬態(tài)數(shù)學(xué)模型，采用了最新的氣相反應(yīng)模型、表面反應(yīng)模型和氫氣抑制

3、模型，并與反應(yīng)器內(nèi)瞬態(tài)的流動(dòng)場(chǎng)、溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)進(jìn)行雙向耦合，考慮了預(yù)制體內(nèi)的對(duì)流傳質(zhì)和非均勻溫度場(chǎng)對(duì)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程造成的影響，并采用有限差分法對(duì)模型進(jìn)行了離散。
　　其次，采用瞬態(tài)模型對(duì)以純甲烷為前驅(qū)氣體的ICVI致密化過(guò)程進(jìn)行了模擬分析。結(jié)果表明：(1)在ICVI初期，預(yù)制體內(nèi)的速度值與空反應(yīng)器相比僅差一個(gè)數(shù)量級(jí)，對(duì)傳質(zhì)產(chǎn)生的影響不可忽略；(2)反應(yīng)器內(nèi)的溫度場(chǎng)分布并非均勻，預(yù)制體中心與表面存在溫差，當(dāng)滯留時(shí)間為0.1s時(shí)，溫差達(dá)

4、到30K；(3)在ICVI初期，預(yù)制體的致密化速度較快且分布均勻，144h后出現(xiàn)密度梯度，表面密度高于中心區(qū)域，影響進(jìn)一步的致密化。
　　再次，對(duì)不同工藝參數(shù)條件下的致密化過(guò)程進(jìn)行了對(duì)比研究，分析了壁厚、碳源氣體、溫度、壓力和預(yù)制體結(jié)構(gòu)等參數(shù)對(duì)ICVI致密化過(guò)程的影響機(jī)理。結(jié)果表明：(1)薄壁預(yù)制體易于通過(guò)ICVI方法獲得高密度的制件，這一點(diǎn)與傳統(tǒng)理論的結(jié)果相似；而厚壁預(yù)制體在ICVI后期會(huì)產(chǎn)生密度梯度，并且整體密度值也較低，這點(diǎn)

5、與經(jīng)典模型的結(jié)果相反；(2)碳源中加丙烯、升溫或者增大壓力均能在ICVI初期提高致密化效率，但也會(huì)導(dǎo)致預(yù)制體外部的密度高于內(nèi)部的密度，對(duì)后續(xù)的致密化進(jìn)程產(chǎn)生不良影響；碳源中加氫氣、降溫或者減小壓力，均會(huì)導(dǎo)致ICVI初期致密化速率較低，但是預(yù)制體內(nèi)部的密度值分布更為均勻，有利于后續(xù)的致密化過(guò)程；(3)針刺預(yù)制體由于初始密度值較高，易于獲得密度更大的制件，但是易產(chǎn)生密度梯度，并且其密度值增量低于氈基預(yù)制體。
　　最后，本文選用了多種工