甲烷CVI工艺致密不同尺寸炭/炭复合材料实验与数值模拟研究

在温度为1 348 K,压强15 kPa和停留时间1.0 s下,以甲烷为前驱体对两种不同厚度(16 mm和26 mm)2D炭纤维布预制体进行CVI热解炭致密.经120 h致密化后,将制备得到的炭/炭复合材料进行均匀切分,并测量样品的密度分布.实验结果表明,对于不同厚度的预制体,致密化后在气体流动的外侧密度都偏高,且样品...     

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。     

比表面积与入口气体分压对热解炭微观结构影响的数值模拟研究

本研究在炭/炭复合材料热解炭基体织构形成与转化的模型基础上, 基于石墨微晶片层的表面结构特点, 建立了蜂窝结构的热解炭沉积表面几何模型, 并运用Monte Carlo方法模拟了在等温等压化学气相渗透(CVI)过程中热解炭基体沉积的动力学过程, 研究了预制体比表面积(A_S/V_R)和入口气体分压对热解炭微观结构的影响。通过数值模拟并结合已公开发表的实验结果发现, 在CVI工艺过程中一定的压力条件下, 通过控制A_S/V_R可以获得不同织构的热解炭, 预制体的A_S/V_R存在两个临界值, 靠近反应器入口处的临界值为1.45 m^-1和8.9 mm^-1, 靠近反应器出口处的临界值为0.3 mm^-1, 当A_S/V_R处于这两个临界值之间时, 系统主要沉积高织构热解炭; 在同一A_S/V_R且压强小于30 kPa的条件下, 通过控制反应气体压强的值也可以得到不同织构的热解炭, 并且压强也存在一个临界值, 当压强大于这个临界值时, 系统主要沉积高织构热解炭。     

碳化硅CVI工艺沉积动力学模拟研究

化学气相渗透(CVI)工艺被广泛应用于制备碳基及碳化硅(SiC)基复合材料，CVI工艺是实现制备高纯度和高晶粒度SiC基体的SiC_f/SiC复合材料最佳方案。为了优化CVI制备SiC基体的工艺参数，本文主要研究了CVI工艺沉积SiC的动力学机理及数值模拟。对于CVI工艺SiC沉积的动力学，本文提出了SiC沉积过程的反应动力学机理模型，并通过耦合反应器内的流场和浓度场，模拟了甲基三氯硅烷(MTS)在CVI过程中的SiC沉积实验。通过对样品在CVI致密化过程中孔隙率的实验结果与模拟结果比较，表明该SiC沉积动力学模型的合理性。通过模拟获得了在反应器内的速度场和各组分(MTS, CH₃,SiCl₃)的浓度场分布情况，以及预制体致密化过程的密度分布情况。以上SiC的CVI工艺动力学模拟，对未来优化SiC_f/SiC复合材料CVI工艺具有重要的指导意义。