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文檔簡介
1、隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展,對材料性能的要求越來越高,這就要求人們從材料的制備開始進(jìn)行嚴(yán)格控制。計算機(jī)已成為材料設(shè)計與制備研究的一個有力工具,以實驗和經(jīng)驗為依據(jù),對材料的制備工藝、性能、結(jié)構(gòu)等進(jìn)行模擬,可以準(zhǔn)確預(yù)測材料的基本性能,達(dá)到優(yōu)化制備工藝、減少試驗成本的目的。由于煤瀝青成分的復(fù)雜性,對煤瀝青基復(fù)合材料的制備過程的模擬還沒有得到廣泛開展。因此,本文嘗試采用數(shù)值方法對煤瀝青和瀝青基復(fù)合材料炭化過程進(jìn)行模擬,以期能更深入地理解瀝青基復(fù)合材
2、料的制備過程。 分析了典型煤瀝青的熱失重曲線,根據(jù)煤瀝青的熱解機(jī)理,把煤瀝青的熱解過程分成三個溫度相互交疊的反應(yīng)階段,依次看作為γ、β、α三偽組分的連續(xù)性分解反應(yīng),采用Coats-Redfern方法對TG-DTG曲線進(jìn)行處理,建立了煤瀝青分段動力學(xué)模型。結(jié)果表明煤瀝青中的熱解反應(yīng)均服從一級動力學(xué)規(guī)律,所得到的動力學(xué)參數(shù)與文獻(xiàn)報道的方法所得結(jié)果相近。采用該模型預(yù)測了加熱速率和調(diào)制瀝青的族組分對炭化過程的影響,結(jié)果表明,計算值與實驗
3、值的變化基本一致,從而驗證了模型的合理性。 分析了煤瀝青炭化過程中揮發(fā)分形成氣泡的生長情況,根據(jù)煤瀝青的TG曲線和氣泡生長的力學(xué)平衡方程建立了描述氣泡生長的動力學(xué)模型。采用該模型對煤瀝青炭化過程中揮發(fā)分形成的氣泡的動力學(xué)進(jìn)行理論計算,結(jié)果表明,隨著加熱速率升高,氣泡直徑增長在炭化初期減緩,后期增長幅度增大。氣泡的界面速度先后出現(xiàn)減小、維持平衡和隨失重速率變化一致的三個階段,加熱速率對這種變化趨勢沒有影響。相同熱解溫度下,氣泡外圍
4、的液體速度隨加熱速率的增加而成倍增加。 研究了C/C復(fù)合材料的炭化機(jī)理,耦合熱量轉(zhuǎn)化、能量轉(zhuǎn)化和熱解變化三組基本控制方程,建立了C/C復(fù)合材料炭化過程的一維動態(tài)模型。采用Matlab軟件中偏微分工具箱進(jìn)行編程,對模型進(jìn)行求解。利用該模型考察了加熱速率、樣品厚度及外界壓力等參數(shù)變化時,樣品內(nèi)部溫度、壓力、熱解率、孔隙率的分布情況。同時討論了這些因素對C/C復(fù)合材料性能的影響。結(jié)果表明,隨著加熱速率的增加,溫度梯度、壓力梯度、熱解梯
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