厚壁碳-碳復合材料等溫化學氣相沉積致密化過程瞬態(tài)數(shù)值模擬.pdf

1、等溫化學氣相沉積法(ICVI)由于工藝成熟穩(wěn)定、控制簡單，成為制備高性能碳/碳復合材料最為常用的方法。但是對于厚壁碳/碳復合材料，由于壁厚增加導致沉積過程更為復雜，難以采用ICVI方法獲得高質(zhì)量的制件。通過實驗的方法研究厚壁碳/碳材料的致密化過程致密化的機理成本高、周期長，并且難以覆蓋所有的工藝。采用數(shù)值模擬方法研究碳/碳復合材料的制備過程，因其成本低、周期短，現(xiàn)已逐漸成為該領(lǐng)域的研究熱點。
　　傳統(tǒng)的數(shù)值模擬研究中，均將ICVI

2、過程處理成準穩(wěn)態(tài)過程，溫度不隨時間變化，并且忽略了對流對預制體的影響，對厚壁材料的模擬可能引入較大的誤差。本文建立了碳/碳復合材料ICVI致密化過程的有限差分瞬態(tài)模型，模擬瞬態(tài)的溫度場、流動場、濃度場分布，以及預制體孔隙率、密度隨時間的衍化過程，分析了各種工藝參數(shù)對厚壁碳/碳復合材料致密化過程的影響機理。主要包含以下內(nèi)容：
　　首先，建立了厚壁預制體ICVI致密化過程的瞬態(tài)數(shù)學模型，采用了最新的氣相反應模型、表面反應模型和氫氣抑制

3、模型，并與反應器內(nèi)瞬態(tài)的流動場、溫度場和濃度場進行雙向耦合，考慮了預制體內(nèi)的對流傳質(zhì)和非均勻溫度場對化學反應過程造成的影響，并采用有限差分法對模型進行了離散。
　　其次，采用瞬態(tài)模型對以純甲烷為前驅(qū)氣體的ICVI致密化過程進行了模擬分析。結(jié)果表明：(1)在ICVI初期，預制體內(nèi)的速度值與空反應器相比僅差一個數(shù)量級，對傳質(zhì)產(chǎn)生的影響不可忽略；(2)反應器內(nèi)的溫度場分布并非均勻，預制體中心與表面存在溫差，當滯留時間為0.1s時，溫差達

4、到30K；(3)在ICVI初期，預制體的致密化速度較快且分布均勻，144h后出現(xiàn)密度梯度，表面密度高于中心區(qū)域，影響進一步的致密化。
　　再次，對不同工藝參數(shù)條件下的致密化過程進行了對比研究，分析了壁厚、碳源氣體、溫度、壓力和預制體結(jié)構(gòu)等參數(shù)對ICVI致密化過程的影響機理。結(jié)果表明：(1)薄壁預制體易于通過ICVI方法獲得高密度的制件，這一點與傳統(tǒng)理論的結(jié)果相似；而厚壁預制體在ICVI后期會產(chǎn)生密度梯度，并且整體密度值也較低，這點

5、與經(jīng)典模型的結(jié)果相反；(2)碳源中加丙烯、升溫或者增大壓力均能在ICVI初期提高致密化效率，但也會導致預制體外部的密度高于內(nèi)部的密度，對后續(xù)的致密化進程產(chǎn)生不良影響；碳源中加氫氣、降溫或者減小壓力，均會導致ICVI初期致密化速率較低，但是預制體內(nèi)部的密度值分布更為均勻，有利于后續(xù)的致密化過程；(3)針刺預制體由于初始密度值較高，易于獲得密度更大的制件，但是易產(chǎn)生密度梯度，并且其密度值增量低于氈基預制體。
　　最后，本文選用了多種工