C-SiC復(fù)合材料優(yōu)化設(shè)計(jì).pdf

1、隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)、人工智能技術(shù)的不斷進(jìn)步，材料設(shè)計(jì)逐漸成為與材料實(shí)驗(yàn)和材料理論并行發(fā)展的三個(gè)方向之一。本文以航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件用連續(xù)碳纖維增強(qiáng)的SiC陶瓷基復(fù)合材料(C/SiC)為研究對(duì)象，以材料虛擬設(shè)計(jì)為目標(biāo)，針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜惡劣的高溫服役環(huán)境，重點(diǎn)研究了材料環(huán)境性能演變、化學(xué)氣相滲透(CVI)和化學(xué)氣相沉積(CVD)制備過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬理論與方法，建立了材料閉環(huán)設(shè)計(jì)和跨尺度設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)，并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)現(xiàn)了材料制造與服役過(guò)程

2、信息的獲取，縮短了材料制造與環(huán)境性能考核的周期和降低了研發(fā)成本，促進(jìn)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)新型材料的發(fā)展。在此基礎(chǔ)上，發(fā)展了材料設(shè)計(jì)的理論與方法。主要研究結(jié)果如下： 1.首次提出了“環(huán)境－微結(jié)構(gòu)”兩要素材料設(shè)計(jì)的原理和模型，為材料的“閉環(huán)設(shè)計(jì)”提供了數(shù)學(xué)表述，并以“階”的概念對(duì)“跨尺度設(shè)計(jì)”的層次進(jìn)行定量表述。從而為材料設(shè)計(jì)的兩大難題——“閉環(huán)設(shè)計(jì)”和“跨尺度設(shè)計(jì)”建立了數(shù)學(xué)模型。 2.C/SiC復(fù)合材料的制造過(guò)程涉及宏觀尺度的構(gòu)

3、件排布優(yōu)化與反應(yīng)器流場(chǎng)模擬、細(xì)觀尺度的預(yù)制體化學(xué)氣相滲透以及微觀尺度的制備產(chǎn)物計(jì)算等問(wèn)題。本文綜合運(yùn)用遺傳算法、有限元法、邊界層理論、兩步三階段法、量子化學(xué)和化學(xué)熱力學(xué)等計(jì)算理論和方法，研究了C/SiC復(fù)合材料及其構(gòu)件制造過(guò)程中的宏微觀現(xiàn)象，從而優(yōu)化了CVI/CVD工藝參數(shù)： 1)為了合理利用反應(yīng)器空間，采用遺傳算法實(shí)現(xiàn)了宏觀尺度構(gòu)件群的空間排布優(yōu)化。通過(guò)流場(chǎng)模擬表明，構(gòu)件背風(fēng)面通常比迎風(fēng)面的層流邊界層厚。可采用降低氣體流量的方

4、式減小其厚度差異，也可通過(guò)多次調(diào)換構(gòu)件放置姿態(tài)，從而獲得表面沉積質(zhì)量較均勻的構(gòu)件。 2)根據(jù)熱解碳(PyC)界面層和SiC基體沉積兩個(gè)步驟，以及PyC界面層填充單絲纖維間的小孔隙、SiC基體填充單絲纖維間剩余的小孔隙以及SiC基體填充纖維束間的大孔隙三個(gè)階段，首次提出了CVI過(guò)程模擬的“兩步三階段法”，實(shí)現(xiàn)了C/SiC的PyC界面層與SiC基體制造過(guò)程模擬。 3)從CVI致密化動(dòng)力學(xué)角度優(yōu)選的制備SiC基體的工藝參數(shù)為：

5、T=1223～1273K，P=4～8kPa；在上述工藝參數(shù)范圍內(nèi)，預(yù)制體的截面尺寸小于25mm×25mm時(shí)，其致密度均勻性大于80％。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合制備產(chǎn)物熱力學(xué)計(jì)算優(yōu)選的制備SiC基體的工藝參數(shù)為：MTS=60ml·min-1，H2=300ml·min-1，Ar=200ml·min-1，T=1223～1273K，P=5kPa。 4)通過(guò)制備產(chǎn)物熱力學(xué)計(jì)算優(yōu)化了CVDSiC涂層的工藝參數(shù)：MTS=60ml·min-1，H2=3

6、00ml·min-1，Ar=200ml·min-1，T=1200～1400K，P=5kPa。上述結(jié)果與實(shí)際工藝參數(shù)的范圍吻合。5)運(yùn)用量子化學(xué)G3MP2精確計(jì)算，糾正了JANAF熱化學(xué)數(shù)據(jù)手冊(cè)第三版(85年版)中提供的MTS(g)(CH3SiCl3)的△fGm0，并在NIST-JANAF熱化學(xué)數(shù)據(jù)手冊(cè)最新版(98年第四版)中得到驗(yàn)證，確保了制備產(chǎn)物熱力學(xué)計(jì)算的可靠性。 3.C/SiC復(fù)合材料的服役考核也涉及宏觀尺度的試件斷裂行為

7、模擬以及微觀尺度的服役產(chǎn)物熱力學(xué)計(jì)算等問(wèn)題。本文綜合運(yùn)用因素分析法、自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)、量子化學(xué)和化學(xué)熱力學(xué)等計(jì)算理論和方法，研究了C/SiC服役過(guò)程中的宏微觀現(xiàn)象，獲得了C/SiC的環(huán)境性能評(píng)價(jià)結(jié)果，從而建立了C/SiC的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。 1)SiC在濕氧環(huán)境中的高溫主動(dòng)氧化是導(dǎo)致C/SiC復(fù)合材料高溫失效的主要原因。當(dāng)濕氧環(huán)境濃度確定時(shí)，可通過(guò)設(shè)計(jì)合適的孔隙率來(lái)削弱SiC的高溫主動(dòng)氧化；當(dāng)材料的孔隙率確定時(shí)，可通過(guò)選擇合

8、適的濕氧濃度比例來(lái)削弱SiC的高溫主動(dòng)氧化。 2)在濕氧和硫酸鈉耦合的加速實(shí)驗(yàn)環(huán)境(PO2≤8kPa，PH2O≤15kPa，Psalt≤100ppm，10h，T=400～1500℃)條件下，SiC涂層層數(shù)大于4層(～80μm)時(shí)，C/SiC具有良好的抗氧化與抗腐蝕性(失重＜0.5％)。 4.基于上述材料設(shè)計(jì)原理、模型和方法建立了科學(xué)、實(shí)用的C/SiC復(fù)合材料跨尺度閉環(huán)設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)，該軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了以控制性環(huán)境性能為設(shè)計(jì)目