厚壁碳/碳复合材料等温化学气相沉积致密化过程瞬态数值模拟

摘要

等温化学气相沉积法(ICVI)由于工艺成熟稳定、控制简单，成为制备高性能碳/碳复合材料最为常用的方法。但是对于厚壁碳/碳复合材料，由于壁厚增加导致沉积过程更为复杂，难以采用ICVI方法获得高质量的制件。通过实验的方法研究厚壁碳/碳材料的致密化过程致密化的机理成本高、周期长，并且难以覆盖所有的工艺。采用数值模拟方法研究碳/碳复合材料的制备过程，因其成本低、周期短，现已逐渐成为该领域的研究热点。
　　传统的数值模拟研究中，均将ICVI过程处理成准稳态过程，温度不随时间变化，并且忽略了对流对预制体的影响，对厚壁材料的模拟可能引入较大的误差。本文建立了碳/碳复合材料ICVI致密化过程的有限差分瞬态模型，模拟瞬态的温度场、流动场、浓度场分布，以及预制体孔隙率、密度随时间的衍化过程，分析了各种工艺参数对厚壁碳/碳复合材料致密化过程的影响机理。主要包含以下内容：
　　首先，建立了厚壁预制体ICVI致密化过程的瞬态数学模型，采用了最新的气相反应模型、表面反应模型和氢气抑制模型，并与反应器内瞬态的流动场、温度场和浓度场进行双向耦合，考虑了预制体内的对流传质和非均匀温度场对化学反应过程造成的影响，并采用有限差分法对模型进行了离散。
　　其次，采用瞬态模型对以纯甲烷为前驱气体的ICVI致密化过程进行了模拟分析。结果表明：(1)在ICVI初期，预制体内的速度值与空反应器相比仅差一个数量级，对传质产生的影响不可忽略；(2)反应器内的温度场分布并非均匀，预制体中心与表面存在温差，当滞留时间为0.1s时，温差达到30K；(3)在ICVI初期，预制体的致密化速度较快且分布均匀，144h后出现密度梯度，表面密度高于中心区域，影响进一步的致密化。
　　再次，对不同工艺参数条件下的致密化过程进行了对比研究，分析了壁厚、碳源气体、温度、压力和预制体结构等参数对ICVI致密化过程的影响机理。结果表明：(1)薄壁预制体易于通过ICVI方法获得高密度的制件，这一点与传统理论的结果相似；而厚壁预制体在ICVI后期会产生密度梯度，并且整体密度值也较低，这点与经典模型的结果相反；(2)碳源中加丙烯、升温或者增大压力均能在ICVI初期提高致密化效率，但也会导致预制体外部的密度高于内部的密度，对后续的致密化进程产生不良影响；碳源中加氢气、降温或者减小压力，均会导致ICVI初期致密化速率较低，但是预制体内部的密度值分布更为均匀，有利于后续的致密化过程；(3)针刺预制体由于初始密度值较高，易于获得密度更大的制件，但是易产生密度梯度，并且其密度值增量低于毡基预制体。
　　最后，本文选用了多种工艺条件下的实验数据与模拟结果进行了对比分析，结果显示二者吻合良好，证实了模型的稳定性和通用性，首次实现了对厚壁碳/碳复合材料的致密化过程的定量化预测。同时，本文还分析了温度和压力对沉积过程的影响次序，并且得出结论：厚壁碳/碳复合材料的ICVI致密化过程对温度、压力、碳源中丙烯含量的敏感性依次为：丙烯含量(10％)>压力(5kPa)>温度(50℃)。

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1 绪 论

1.1选题背景与意义

1.2对CVI过程研究的国内外概况

1.3主要研究内容及技术方案

2 厚壁碳/碳复合材料ICVI致密化过程瞬态模型及离散

2.1前言

2.2沉积反应器及复合材料物理模型

2.3化学气相沉积反应动力学模型

2.4经典的CVI准稳态模型

2.5致密化过程的瞬态数学模型

2.6孔隙结构及衍化模型

2.7基于有限差分法的瞬态模型离散方法

2.8本章小结

3 厚壁碳/碳复合材料ICVI致密化过程瞬态模拟

3.1前言

3.2初始条件及边界条件设置

3.3瞬态流动场模拟分析

3.4瞬态温度场模拟分析

3.5瞬态浓度场模拟分析

3.6孔隙率及密度衍化过程模拟分析

3.7本章小结

4工艺参数对厚壁碳/碳复合材料等温CVI致密化过程的影响

4.1前言

4.2预制体厚度对致密化过程的影响

4.3碳源气体对致密化过程的影响

4.4温度对致密化过程的影响

4.5压力对致密化过程的影响

4.6预制体结构对致密化过程的影响

4.7本章小结

5结果验证及分析

5.1 ICVI致密化过程结果验证

5.2不同参数的对比分析及验证

5.3本章小结

6 总结及展望

6.1全文总结

6.2研究展望

致谢

参考文献

附录I：博士期间发表的论文