瀝青基炭材料炭化模型研究.pdf

1、隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，對(duì)材料性能的要求越來(lái)越高，這就要求人們從材料的制備開始進(jìn)行嚴(yán)格控制。計(jì)算機(jī)已成為材料設(shè)計(jì)與制備研究的一個(gè)有力工具，以實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)，對(duì)材料的制備工藝、性能、結(jié)構(gòu)等進(jìn)行模擬，可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)材料的基本性能，達(dá)到優(yōu)化制備工藝、減少試驗(yàn)成本的目的。由于煤瀝青成分的復(fù)雜性，對(duì)煤瀝青基復(fù)合材料的制備過(guò)程的模擬還沒有得到廣泛開展。因此，本文嘗試采用數(shù)值方法對(duì)煤瀝青和瀝青基復(fù)合材料炭化過(guò)程進(jìn)行模擬，以期能更深入地理解瀝青基復(fù)合材

2、料的制備過(guò)程。 分析了典型煤瀝青的熱失重曲線，根據(jù)煤瀝青的熱解機(jī)理，把煤瀝青的熱解過(guò)程分成三個(gè)溫度相互交疊的反應(yīng)階段，依次看作為γ、β、α三偽組分的連續(xù)性分解反應(yīng)，采用Coats-Redfern方法對(duì)TG-DTG曲線進(jìn)行處理，建立了煤瀝青分段動(dòng)力學(xué)模型。結(jié)果表明煤瀝青中的熱解反應(yīng)均服從一級(jí)動(dòng)力學(xué)規(guī)律，所得到的動(dòng)力學(xué)參數(shù)與文獻(xiàn)報(bào)道的方法所得結(jié)果相近。采用該模型預(yù)測(cè)了加熱速率和調(diào)制瀝青的族組分對(duì)炭化過(guò)程的影響，結(jié)果表明，計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)

3、值的變化基本一致，從而驗(yàn)證了模型的合理性。 分析了煤瀝青炭化過(guò)程中揮發(fā)分形成氣泡的生長(zhǎng)情況，根據(jù)煤瀝青的TG曲線和氣泡生長(zhǎng)的力學(xué)平衡方程建立了描述氣泡生長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)模型。采用該模型對(duì)煤瀝青炭化過(guò)程中揮發(fā)分形成的氣泡的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行理論計(jì)算，結(jié)果表明，隨著加熱速率升高，氣泡直徑增長(zhǎng)在炭化初期減緩，后期增長(zhǎng)幅度增大。氣泡的界面速度先后出現(xiàn)減小、維持平衡和隨失重速率變化一致的三個(gè)階段，加熱速率對(duì)這種變化趨勢(shì)沒有影響。相同熱解溫度下，氣泡外圍

4、的液體速度隨加熱速率的增加而成倍增加。 研究了C/C復(fù)合材料的炭化機(jī)理，耦合熱量轉(zhuǎn)化、能量轉(zhuǎn)化和熱解變化三組基本控制方程，建立了C/C復(fù)合材料炭化過(guò)程的一維動(dòng)態(tài)模型。采用Matlab軟件中偏微分工具箱進(jìn)行編程，對(duì)模型進(jìn)行求解。利用該模型考察了加熱速率、樣品厚度及外界壓力等參數(shù)變化時(shí)，樣品內(nèi)部溫度、壓力、熱解率、孔隙率的分布情況。同時(shí)討論了這些因素對(duì)C/C復(fù)合材料性能的影響。結(jié)果表明，隨著加熱速率的增加，溫度梯度、壓力梯度、熱解梯