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。      

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.     

热梯度CVI制备大尺寸C/C复合材料的致密化行为

以整体毡为纤维增强体, 采用外壁恒温控温和内壁恒温控温两种方式, 通过热梯度化学气相渗透(TG-CVI)工艺研究了大尺寸C/C复合材料的致密化行为。结果表明, 外壁恒温控温方式制备的试样密度仅为0.64 g/cm³, 呈现出两边高中间低的特点, 热解碳结构为粗糙层与光滑层相结合。而内壁恒温控温方式制备的试样密度达到0.98 g/cm³, 致密效率相比提高了73.79%, 热解碳结构为具有优异性能的粗糙层结构, 试样内部密度分布均匀。通过与外壁恒温控温相比, 内壁恒温控温方式具有较高的温度和合适的温度梯度, 致密化行为符合理想致密化模型, 能够实现大尺寸C/C复合材料由内至外的正向密度增长, 致密均匀, 致密效率高, 且碳结构优异。     

ICVI法制备C/SiC复合材料构件的数值模拟

根据C/ SiC 复合材料的结构特点及等温化学气相浸渗法的工艺特点, 建立了C/ SiC 复合材料ICVI 致密化过程的数学模型, 并将该模型应用于C/ SiC 复合材料构件制备过程的数值模拟中。利用有限单元法, 对航空发动机用C/ SiC 复合材料小喉衬的ICVI 致密化行为进行了数值计算和分析。为了验证计算结果, 设计并进行了相应的对比实验, 对致密化后的喉衬构件进行了密度测量和CT 断层扫描无损检测。实验结果与模拟结果呈现出相同的变化规律并且两者之间偏差较小, 表明本文作者所建立的模型可以很好地描述C/ SiC 复合材料的ICVI 过程。利用该数学模型, 计算了ICVI 过程中喉衬构件的密度分布及其演变规律, 为ICVI 法制备C/ SiC 复合材料构件的进一步研究打下基础, 对ICVI 工艺的优化具有一定的指导意义。      

催化型化学液相气化渗透沉积制备碳/碳复合材料工艺研究

改进了液相气化快速致密法制备C/C复合材料的技术,采用高频感应脉冲加热方式,直接对沥青浸渍碳化的预制件进行感应加热,在二茂铁的催化作用下以煤油作为前驱体,建立了一种制备碳/碳复合材料新的工艺方法.该工艺生成热解碳的致密化反应温度为800-1000℃,能在3h内将预制件的密度从0.3g/cm³提高到1.5-1.7g/cm³.通过金相显微镜观察样品在致密过程中不同反应阶段的微观结构,表明在二茂铁催化作用下热解碳在预制件内部多处结晶生长,从而能够降低液相气化致密反应的温度、提高了致密反应的速率.     

沥青基C/C复合材料的致密效率研究

以高温煤沥青为浸渍剂,国产PAN基炭纤维编织的轴棒法预制体为增强材料,采用浸渍炭化致密工艺制备了沥青基炭/炭(C/C)复合材料,考察不同制备步骤下预制体致密效率的变化情况,并用扫描电子显微镜观察了C/C复合材料及基体炭的微观形貌。研究表明,随循环次数的增多,材料密度逐渐增大,密度增量逐渐减小;中间石墨化处理略微降低材料的密度,但材料的最终密度可大于1.90g/cm3。通过显微镜发现沥青基C/C复合材料内部在微观上仍存在少量裂纹和孔隙,基体炭的形态主要有区域型、流线型和镶嵌型。     

煤油蒸气为前驱体热梯度CVI法制备C/C复合材料

以炭毡为预制体,煤油蒸气为前驱体,利用两个热源分别加热预制体的上下表面,形成两个热梯度和双沉积面,第三个热源加热前驱体保证反应气体的供给,采用这种改进的化学液相气化渗入法快速制备了炭/炭(C/C)复合材料.对C/C复合材料的密度和气孔率进行了表征,并通过XRD,SEM等方法对其石墨化程度、显微结构进行了研究.结果表明:C/C复合材料的密度随沉积温度的升高呈线性增加,而气孔率逐渐减小,体积密度为0.2g/cm3的预制体在1100℃沉积3h后密度达到1.72g/cm3.2200℃热处理后,C/C复合材料的d002显著降低,具有较高的石墨化程度.C/C复合材料中的炭纤维被环状的热解炭所包围.沉积过程中前驱体较短的对流和扩散路径以及预制体中存在的上下热梯度和相应的双沉积面是材料快速制备的主要因素.     

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。     

电耦合CVI制备穿刺C/C喉衬材料的微结构及性能

采用电耦合化学气相渗透（CVI）联合树脂浸渍碳化工艺制备了穿刺碳纤维预制体增强C/C喉衬材料,利用μ-CT表征了穿刺C/C材料增密不同阶段孔隙尺寸,研究了该材料2 800℃拉伸性能和缩比固体发动机烧蚀性能。结果表明,电耦合CVI增密后穿刺C/C喉衬材料孔隙主要存在于纤维束间,呈现空间联通的网状结构,树脂碳循环致密后材料内部仍残存少量体积0~0.08 mm³的微小孔隙,孔隙呈现孤立的点分布状态。穿刺C/C材料2 800℃拉伸强度略高于室温,断裂应变比室温提高118%,表现出优异的非线性断裂行为。穿刺C/C喉衬缩比固体发动机点火试验后线烧蚀率0.077 mm/s,喉衬不同区域的烧蚀机制有一定差异,喉衬收敛段穿刺纤维束承受驻点烧蚀,产生蜂窝状烧蚀凹坑,烧蚀较严重,喉部和扩散段烧蚀较为平滑。     

ICVI法制备Si3N4P/ Si3N4 复合材料致密化行为数值模拟

根据Si₃N₄ 颗粒增强体的结构特点及等温化学气相法( ICVI) 的工艺特点, 对Si₃N₄ 颗粒增强Si₃N₄ 复合材料的致密化过程进行了数值模拟。用球形孔隙模型表征Si₃N₄ 颗粒增强体的结构特征, 用传质连续方程表征先驱体在预制体中的浓度分布。为了检验模型的准确性和适用性, 进行了相应的实验验证。模拟结果与实验结果具有相似的致密化规律, 预测的渗透时间和孔隙率与实验结果均十分接近, 表明本文中建立的数学模型可以较好地表征Si₃N₄P / Si₃N₄ 复合材料的ICVI 过程。     

Kinetics of shrinkage and shape evolution during liquid phase sintering of tungsten heavy alloy

A numerical model describing gravity-induced shape distortion and densification during solid and liquid phase sintering is proposed. The constitutive formulation is based on the continuum theory of sintering and implemented in commercial finite element software. Simulations under gravity-induced stress are attempted on the basis of the model parameters where viscosity is assumed to be temperature and porosity dependent. Viscosity is assessed through shrinkage and shrinkage rate data obtained experimentally from dilatometry over a controlled temperature regime. Effects of temperature, heating rate, and liquid phase formation on porosity evolution are analyzed. Additionally, sample studies on the influence of heating rate, gravity, friction coefficient, aspect ratio, and volume on the predicted distortion profiles after sintering of a tungsten heavy alloy are also presented. These numerical results are compared with experimental data from the literature.     

C/C复合材料等温CVI工艺Mamdani模糊系统建模

利用隶属函数表征了碳/碳(C/C)复合材料CVI工艺各主要影响因素,基于Matlab模糊逻辑工具箱,建立了C/C复合材料等温CVI工艺Mamdani模糊系统模型,分析了沉积温度、沉积时间、预制体纤维体积分数和前驱碳氢气体与稀释气体的比率对制件密度的影响。预制体纤维体积分数是直接影响材料的密度和其它性能的因素;CVI工艺受热解化学反应和前驱气体扩散两个主要过程的控制,沉积温度或前驱碳氢气体比率升高,能够加快热解化学反应速度,使沉积速率在沉积前期(t<300h)具有较高的值,但导致材料的密度梯度增大,使后期沉积极为困难。     

基于遗传算法和神经网络的C/C复合材料等温CVI工艺参数优化模型

建立了基于遗传算法和误差反传（GA-BP）神经网络的化学气相渗透（CVI）工艺参数优化模型。以新型等温CVI工艺制备C/C复合材料时采集的实验数据作为模型评价样本,分析了主要可控影响因素（沉积温度、前驱气体分压与滞留时间等）对C/C复合材料制件密度及其密度均匀性的作用规律。在该模型指导下,样本的期望密度和实测密度最大误差不超过6.2%,密度差最大误差不超过8.2%。实验结果也证明了该模型具有较高的精度和良好的泛化能力,可以用于CVI工艺参数的优化。      

气门座圈粉末锻造工艺的数值模拟与实验

目的研究气门座圈的粉末锻造工艺,提高产品的致密度。方法通过建立气门座圈粉末锻造数值模型,分析锻造过程中相对密度的变化过程,研究预制毛坯初始相对密度、锻造加热温度和成形速度对致密化的影响。在此基础上进行粉末锻造实验,并与模拟结果比较。结果随着预制毛坯初始致密度、加热温度的增加以及成形速度的降低,粉末锻造致密度化所需的成形力降低;预制坯初始密度对锻件密度均匀性影响最为显著。经过粉末锻造后的气门座圈,密度从6.6 g/cm~3提高到7.46 g/cm~3,致密度达到96.4%。结论相比传统压制-烧结工艺,粉末锻造可以大幅度提高气门座圈的致密度。     

中间热处理对薄壁C/CSiC构件制备及力学性能的影响

采用“化学气相渗透法+先驱体浸渍裂解法”（CVI+PIP）混合工艺制备了薄壁C/C-SiC复合材料构件,研究了C/C多孔体的热处理对C/C-SiC构件密度、变形量及力学性能的影响。研究结果表明：中间热处理可提高C/C的开孔率,有利于SiC的渗入,制备出密度较高的C/C-SiC复合材料构件;中间热处理对构件的层间剪切性能影响不大,但影响构件面内拉伸强度和整体承压性能;中间热处理会导致薄壁C/C-SiC构件在内外径和高度方向发生变形;合适的热处理温度（1600~1800℃）使C/C-SiC构件界面结合强度适中,面内拉伸强度及整体承压性能有了极大的提高;而较高的热处理温度（2100~2300℃）使碳纤维强度下降,使构件拉伸强度及整体承压性能大幅下降。     

前驱体对C/C复合材料的致密化和性能的影响

研究了分别以甲烷和丙烯为前驱体对制备C/C复合材料的新型ICVI工艺致密化速率及组织结构和力学性能的影响.考察了密度与致密化时间之间的变化规律和密度分布,采用偏光显微镜和扫描电镜观察材料的组织结构和试样的断口形貌,利用三点弯曲实验测定材料的弯曲强度.实验结果表明:在致密化时间100h前,以甲烷为前驱体,C/C复合材料的致密化速率比丙烯为前驱体时低,100h后致密化速率发生逆转;以甲烷为前驱体所得C/C复合材料的密度梯度小,组织结构为粗糙层,弯曲强度为250.87MPa,模量为29.29GPa;而以丙烯为前驱体所得C/C复合材料的密度梯度大,组织结构为光滑层,弯曲强度为102.75MPa,模量为11.42GPa.因此,相对而言甲烷作为制备C/C复合材料的前驱体优于丙烯.     

碳源组成对化学气相渗透C/C复合材料致密化及热解炭结构的影响

为分析碳源在化学气相渗透过程中的沉积机制,以碳纤维针刺整体毡为预制体,添加丙烯（C₃H₆）的天然气混合气体为碳源,研究了碳源组成对C/C复合材料致密化及热解炭结构的影响。结果表明:相比于以天然气为碳源,以添加了适当比例C₃H₆的天然气为碳源,可有效提高C/C复合材料的致密化速率及密度分布均匀性;同时,有利于生成高织构的热解炭。最优条件（9vol% C₃H₆）下沉积100 h后,C/C复合材料的密度和径向密度偏差分别为1.40 g/cm3和0.04 g/cm3,热解炭为均一的粗糙层结构,石墨化度高;而以天然气作碳源时,密度和径向密度偏差分别为1.17 g/cm3和0.07 g/cm3,热解炭为二元带状结构,石墨化度较低;当C₃H₆比例增加到17vol%时,其密度和径向密度偏差分别为1.28 g/cm3和0.10 g/cm3,密度及密度分布均匀性较最优条件下制备的复合材料明显降低。      

FCVI工艺致密化效率评价方法研究

针对用于制备C/C复合材料的强制流动热梯度化学气相渗透(FCVI)工艺,建立了预制体的孔隙结构模型,将孔隙分为闭孔孔隙与开孔孔隙,指出致密化过程就是开孔孔隙的填充过程,基于化学反应动力学和传热传质理论,提出了致密化剩余时间的概念,推导出一种用于预测FCVI工艺致密化效率和控制工艺参数的理论,该理论综合分析了致密化各时期的预制体密度分布与工艺效率的关系,指出在致密化各个时期预制体内的密度分布符合特定的数学关系才能保证最终获得最高的致密化效率,并定义了一个综合衡量致密化效率的指标-ψ.工艺试验表明:如果在工艺过程的各个时期ψ都接近于0,则可以保证该工艺获得最高的致密化效率,这种方法可以用于指导实际的FCVI工艺,并获得理想的致密化效率.     

Study of the infiltration and mechanical behavior of C/C composites prepared by ECVI

Three kinds of preforms, chopped fibers/resin carbon, spreading layers of carbon cloth, and needle-pricked long fiber felt, were used in this study. The preforms were densified by using the electrified preform heating CVI method (ECVI), and infiltrated using natural gas. Initial thermal gradients were determined. Resistivity and density evolutions with infiltration time have been recorded. A tensile test was applied to investigate the influence of preform architecture on the tensile properties of the C/C composites. Results show that the architecture of preform strongly influences the uniformity of infiltration and fibers/matrix bonding. The samples prepared from using 1K plain carbon cloth have the smallest density variations with position (about 0.011 g/cm³), and possess the highest tensile strength and modulus, while the samples produced from chopped fibers/resin carbon possess the lowest tensile strength due to their strong interfacial bonding between resin carbon and carbon fibers and poor microstructure.     

化学液气相沉积C/C复合材料研究进展

化学液气相沉积技术是目前最快的C/C复合材料的制备工艺,它的致密化速度是传统等温化学气相沉积工艺的100倍.本文阐述化学液气相沉积工艺的优越性和用于制备C/C复合材料的工艺原理;讨论化学液气相沉积热解炭的微观组织结构和工艺的计算机数值模拟的研究进展,最后展望化学液气相致密化技术的发展和应用前景.