瀝青基炭材料炭化模型研究.pdf

1、隨著科學技術的迅猛發(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行嚴格控制。計算機已成為材料設計與制備研究的一個有力工具，以實驗和經驗為依據，對材料的制備工藝、性能、結構等進行模擬，可以準確預測材料的基本性能，達到優(yōu)化制備工藝、減少試驗成本的目的。由于煤瀝青成分的復雜性，對煤瀝青基復合材料的制備過程的模擬還沒有得到廣泛開展。因此，本文嘗試采用數值方法對煤瀝青和瀝青基復合材料炭化過程進行模擬，以期能更深入地理解瀝青基復合材

2、料的制備過程。 分析了典型煤瀝青的熱失重曲線，根據煤瀝青的熱解機理，把煤瀝青的熱解過程分成三個溫度相互交疊的反應階段，依次看作為γ、β、α三偽組分的連續(xù)性分解反應，采用Coats-Redfern方法對TG-DTG曲線進行處理，建立了煤瀝青分段動力學模型。結果表明煤瀝青中的熱解反應均服從一級動力學規(guī)律，所得到的動力學參數與文獻報道的方法所得結果相近。采用該模型預測了加熱速率和調制瀝青的族組分對炭化過程的影響，結果表明，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，根據煤瀝青的TG曲線和氣泡生長的力學平衡方程建立了描述氣泡生長的動力學模型。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進行理論計算，結果表明，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復合材料的炭化機理，耦合熱量轉化、能量轉化和熱解變化三組基本控制方程，建立了C/C復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行編程，對模型進行求解。利用該模型考察了加熱速率、樣品厚度及外界壓力等參數變化時，樣品內部溫度、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復合材料性能的影響。結果表明，隨著加熱速率的增加，溫度梯度、壓力梯度、熱解梯