基于数值模拟的热梯度CVI制备C/C 复合材料致密化行为

根据热梯度化学气相渗透(CVI)工艺制备C/C复合材料的特点, 建立了均相与非均相反应的多场耦合数学模型。以2D炭毡为预制体, 天然气为前驱体, 炉压为100 kPa的工艺条件下, 通过计算获得了预制体致密化过程中密度的演变规律; 分析了沉积温度及气体流量对致密化的影响, 获得了合理的沉积温度和气体流量范围。致密化100 h后, 预制体整体密度的计算值与实验值基本一致, 径向密度分布的模拟值与实验值呈相同的变化规律, 验证了模型的可靠性和模拟的预测能力。      

单向碳/碳复合材料CVI 致密化模拟研究

采用有限差分模型对单向碳/碳复合材料的化学气相渗透(CV I) 过程进行模拟, 并设计了对照实验对模型进行了验证。模型所预测的预制体密度随渗透时间变化关系曲线与对照实验结果较为吻合, 反映了模型的准确性和实用性。此外通过模型还可得到致密化过程中气体在预制体内的分布情况, 对复合材料致密化均匀性进行表征, 并可获得材料孔隙率变化特点等一系列重要信息, 为CV I 机理的深入研究打下了良好的基础, 对CV I 工艺的改进和优化有较强的指导意义。      

C/C 复合材料热梯度CVI 工艺的数值模拟研究

TCV I(热梯度CV I) 工艺是一种很有潜力的C/C 复合材料制备工艺, 它可以在较短的时间内制备出密度均匀性较高的C/C 复合材料制件。本文根据传热、传质理论及C/C 复合材料预制体的结构特点建立了TCV I 过程的动力学模型和几何模型, 在该模型的基础上利用数值模拟技术对该工艺进行了模拟和分析。模拟结果为TCV I工艺的开发和应用提供了理论依据。     

旋转CVI制备C/SiC复合材料

旋转 ＣＶＩ是在 ＣＶＩ原理基础上发展的一种制备 Ｃ／ＳｉＣ复合材料的新工艺,通过石墨衬底的旋转,使预制体的制备与基体的沉积同步进行,能有效消除一般ＣＶＩ工艺过程中存在的“瓶颈”效应．在自制的旋转 ＣＶＩ设备上实验,探索了旋转 ＣＶＩ工艺参数中 ＣＨ_３ＳｉＣｌ_３（ＭＴＳ）的流量与浓度、沉积温度和Ｃ布缠绕线速度对ＳｉＣ基体沉积速度,以及沉积温度对基体结构的影响．并在低压（５ｋＰａ）、高温 （１１００℃）、 ４００ ｍＬ·ｍｉｎ^－１ Ｈ_２、 ２００ ｍＬ·ｍｉｎ^－１Ａｒ、 ＭＴＳ４０℃与Ｃ布以１．１～３．５ｍｍ·ｍｉｎ^－１的线速度连续旋转的沉积条件下,实现了单丝纤维间微观孔隙、纤维束之间以及Ｃ布层间宏观孔隙的致密化同步完成．     

载气对C/C复合材料CVI热解炭显微结构的影响

在1000℃,0.5 kPa丙烯分压条件下,以N₂、H₂为载气和无载气情况下于热梯度CVI炉中制备了C/C复合材料,研究了载气特别是氢气对材料基体热解炭显微结构的影响。通过偏光显微镜测定材料不同区域CVI热解炭的消光角,分析热解炭显微结构在试样中的分布规律。结果表明: N₂在CVI过程中充当惰性角色,不影响热解炭的显微结构; H₂可以调节热解炭沉积时的微环境气氛,更有利于得到粗糙层结构热解炭。试样增密延长炭源气滞留时间,引起带状结构热解炭中显微结构的突变。借助氢气作为载气,可以实现对C/C复合材料中热解炭显微结构的更优控制。      

前驱体对CVI制备C/C复合材料的影响

分别以天然气和丙烯为前驱体制备了C/C复合材料.考察了密度和密度分布,借助偏光显微镜观察了沉积炭的显微结构,研究表明,天然气制备的C/C复合材料的密度大于丙烯制备的C/C复合材料的密度;在前60h以天然气为前驱体时C/C复合材料的致密化速率比以丙烯为前驱体时低,60h后致密化速率发生逆转;以天然气为前驱体所得C/C复合材料的密度梯度小,结构为单一的粗糙层;而以丙烯为前驱体所得C/C复合材料的密度梯度大,结构为光滑层.     

遗传算法在C/C复合材料等温CVI工艺参数优化中的应用

阐述了采用基于遗传算法的数值优化技术对等温CVI工艺参数进行优化的方法和过程，并对2DC/C复合材料的ICVI工艺参数进行了优化。结果表明，该技术有助于降低实验成本，提高碳基、陶瓷基复合材料的制备效率和质量。     

炭/炭复合材料CVI工艺的数值模拟现状

从预制体结构模型、动力学模型和模拟算法等方面综述了国内外炭/炭复合材料CVI(chemical vapor infilration)工艺数值模拟的研究现状,着重阐述了各种结构模型的优缺点,各种传质动力学模型的前提假设,指出了数值模拟所面临的困难和应解决的关键问题.     

丙烯CVI致密C/C复合材料的模拟研究

通过模拟法对丙烯化学气相渗透(cvI)制备炭/炭复合材料(C/c)的工艺过程进行研究.基于16种反应物,建立了由34个基元反应组成的均相反应模型.引用双孔隙演化模型、非均相反应模型,对整个丙烯CVI模型进行耦合模拟.模拟结果表明,CVI法C/C复合材料的密度均匀性受沉积气体滞留时间、致密温度和致密时间等因素影响;致密化过程可分为微孔隙快速致密和大孔隙致密两个阶段,丙烯初级热解产物的浓度分布与这两个阶段关系密切;其中大分子气体苯的浓度分布对CVI沉积速度和C/C复合材料密度均匀性的影响明显,当苯浓度分布最高区严重变窄时,表明致密化过程结束,致密表面将出现结壳现象.验证实验与模拟数据吻合较好.     

气体滞留时间对微波热解CVI工艺制备C/C复合材料性能的影响

以炭毡为预制体, N₂为稀释气体, 甲烷为炭源前驱体, 其分压为10kPa, 沉积温度为1100℃的工艺条件下,研究了不同的气体滞留时间(0.05、0.1、0.15、0.2s)对微波热解CVI工艺制备炭/炭复合材料的致密化速率、样品的体积密度及其密度均匀性的影响, 并对其组织结构进行了观察. 分析了气体的滞留时间对微波热解CVI工艺制备炭/炭复合材料的影响规律及组织结构的变化. 结果表明: 采用微波热解CVI工艺在1100℃90h内制备出体积密度为1.70g·cm^-3的炭/炭复合材料, 在滞留时间为0.15s时预制体呈现从内到外逐步致密的规律. 同时, 随着滞留时间的延长, 热解炭的组织结构从低织构到中等织构变化.     

化学气相渗透法制备复合材料的数值模拟研究进展

化学气相渗透法是一种比较成熟的制备连续纤维增韧陶瓷基复合材料的方法.从预制体结构模型、I-CVI过程模拟、TG-CVI过程模拟3方面总结了近年化学气相渗透(Chemical vapor infiltration,CVI)数值模拟的研究进展,重点评述了致密化过程的几种模型的假设条件、建立过程、与实验的吻合程度.     

C/SiC复合材料等温化学气相浸渗过程的数值模拟研究

根据C/SiC复合材料的结构以及等温化学气相浸渗法的工艺特点, 建立了ICVI过程中C纤维预制体结构变化的多尺度孔隙模型和C/SiC复合材料ICVI致密化过程的数学模型. 利用该模型对ICVI法制备C/SiC复合材料进行了数值计算和分析. 模拟结果与实验结果呈现出相同的规律并且两者之间误差较小, 表明本文所建立的模型可以很好地描述C/SiC复合材料的ICVI致密化过程. 利用该模型计算出C/SiC复合材料孔隙率的分布情况以及总体孔隙率在浸渗过程中的演化规律, 对ICVI工艺的优化具有一定的指导意义.     

三维碳化硅/碳化硅陶瓷基编织体复合材料

采用化学气相浸渗法（CVI）,制备出三维Hi-Nicalon SiC/SiC陶瓷基纺织体复合材料,经30hCVI致密化处理后,复合材料的密度达到2．5g.cm^-3。所研制的三维SiC/SiC复合材料不仅具有较高的强度,而且表现出优异的韧性和类似金属材料非灾难性的断裂特征,复合材料的主要功能力学性能指标为：弯曲强度860MPa,断裂位移1．2mm,断裂韧性41．5MPa.m^1/2,断裂功28．1kJ.m^-2,冲击韧性360.0kJ.m^-2。     

三维碳化硅/碳化硅陶瓷基编织体复合材料

采用化学气相浸渗法（ＣＶＩ）,制备出三维Ｈｉ－ＮｉｃａｌｏｎＳｉＣ／ＳｉＣ陶瓷基编织体复合材料．经３０ｈ ＣＶＩ致密化处理后,复合材料的密度达到 ２５９·ｃｍ－３,所研制的三维 ＳｉＣ／ＳｉＣ复合材料不仅具有较高的强度,而且表现出优异的韧性和类似金属材料非灾难性的断裂特征．复合材料的主要力学性能指标为：弯曲强度 ８６０ＭＰａ,断裂位移 １．２ｍｍ,断裂韧性４１．５ＭＰａ·ｍ１／２,断裂功２８．１ｋＪ·ｍ－２,冲击韧性３６．０ｋＪ·ｍ－２．     

模型孔中化学气相渗透过程的热解碳沉积模拟

研究耦合均气相反应机理和总括反应机理, 以模拟甲烷在模型孔中的热解碳沉积过程。在平推流反应器模型中, 利用均气相反应机理对甲烷裂解的气相组分的变化进行模拟, 并将平推流反应器相应位置的气体组分浓度作为模型孔入口初始浓度。运用包含总括反应机理及氢气抑制模型的热解碳沉积模型, 对甲烷在模型孔中的化学气相渗透过程进行模拟。在温度1373和1398 K, 甲烷压强10~20 kPa, 停留时间0.08和0.2 s下, 沿模型孔深度方向的热解碳平均沉积速率的模拟结果与文献报道的实验结果有较好的吻合。模拟结果表明: 热解碳平均沉积速率随甲烷压强和模型孔深度的增加而增大, 且通孔的沉积速率要低于相应实验条件下一端闭孔的模型孔沉积速率。     

FCVI工艺研究进展

强制流动热梯度化学气相渗透（ＦＣＶＩ）作为一种制备碳基与陶瓷基复合材料的新工艺，克服了传统ＣＶＩ中气体扩散传输与预制体渗透的限制，可在短时间内制备出密度均匀性能优良的制作，本文对ＦＣＶＩ技术进行了概要评述，主要内容包括ＦＣＶＩ的基本特点，预制体准备，工艺参数分析以及模型与模拟等。     

自加热化学气相法制备连续碳纤维增强碳化硅复合材料

通过自加热化学气相渗积法制备了Cf/SiC复合材料，对其力学性能进行了测试与分析，运用SEM对复合材料显微结构和断口形貌进行了分析，研究表明：自加热化学气相渗积法具有较快的渗积速率；气体流量的适度增加可改善复合材料的性能；碳涂层的厚度对复合材料的力学性能有较大的影响，适合的涂层厚度在0.35～0.55μm之间。     

CVI热解炭微观结构的参数控制研究

化学气相渗透(CVI)制备炭/炭复合材料涉及气体扩散和气相沉积2个过程,其工艺控制决定炭纤维坯体的增密速度、热解炭的结构和炭/炭材料的性能.工艺过程的控制主要有4类参数:第一参数包括沉积温度、系统压力、碳源浓度、碳源分压等,第二参数包括均相反应、异相反应和滞留时间等,第三参数为A_s/V_R,也就是沉积基体的表面面积与炉内气体的自由体积之比,以及目前以计算机模拟为主要手段的"第四参数"的研究.在固体表面沉积热解炭的科学研究已经持续了几十年,但至今为止还没有形成一种完善的表面沉积机理,分析了CVI工艺参数发展的趋势,说明了对热解炭微观结构形成机理的认识是一个不断深入的过程.     

基于非结构化网格同位有限体积法的粘弹流体数值模拟

采用基于非结构化三角网格的同位有限体积法模拟了聚合物溶液平板收缩流。其中,聚合物溶液微观尺度大分子的信息通过FENE-P本构模型得以在宏观场上体现。数值求解过程中,速度与压力、速度与应力间的耦合通过动量插值实现。通过与结构化网格数值结果及实验结果的比较,验证了该方法在粘弹流动问题求解中的正确性。与此同时,文中根据构象张量给出了分子微观结构直观的可视化描述方法,并分析了不同流动区域分子形变以及分子取向等微观信息。     

Pearson random walk algorithms for fiber-scale modeling of Chemical Vapor Infiltration

Chemical Vapor Infiltration (CVI) is a popular processing route for the preparation of high-quality Ceramic-Matrix Composites which involves rarefied gas transfer in a disordered fibrous array and heterogeneous deposition reactions. The fiber-scale modeling of CVI in large 3D images of actual porous media (e.g. tomographic images) is a challenging task. We address it with a numerical method based on Pearson random walks for transport/reaction of gases, on a Simplified Marching Cubes technique for the surface discretization, and on a pseudo-VOF technique for surface growth. Two different chemical situations are considered, depending on whether the gas precursor is synthesized inside the pores or not. Numerical validations of the code with respect to analytical estimates are presented; finally, in applications to large 3D images of fibrous media, we discuss the consequences of the competition between diffusion and reaction on the deposit morphology.