2009年第1期 CARBON TECHNIQUES 09№1 第28卷 Vo.28 炭/炭复合材料等温CVI工艺计算机模拟的应用 向巧,罗瑞盈,章劲草 (北京航空航天大学理学院材料物理与化学研究中心,北京100191) 搞要:评述了计算机模拟技术在炭/炭复合材料制备工艺中的应用,主要论述了在模拟等温CⅥ工艺中经常使用的单孔模 型、孔隙模型和有限差分模型,分析了单孔模型在模拟微观过程的应用,孔隙模型和有限差分模型根据预制体的几何形状和结 构特征选用的理论依据和可行性,并在此基础上对该领域的发展提出了若干建议 关键词:CⅥ计算机模拟;动力学模型;炭/炭复合材料 中图分类号:TB332;TP91.77 献标识码:A 文章编号:1001-3741(2009)014004 DEVELOPMENT OF COMPUTER SIMULATION IN C/C COMPOSITES DEOPSIED BY ISOTHERMAL CHEMICAL VAPOR INFILTRATION XIANG Qiao, LUO Rui-ying, ZHANG Jin-cao ( Research Center of Material Physics and Chemistry, College of Science, Beijing University of Aeronautics and Abstract: This paper described the application of the computer simulation in the c/c composites manufacturing process It mainly ewed the development of the single pore models, the porous models and the finite difference models for the Isothermal Chemical Vapor Infiltration, described the use of the single pore models in the microcosmic deposition process, and analysed the theory which we based on when we choice the porous models or the finite difference models according to the geometrical model and the structure characters of the preform. Based on the analysis, some suggestions which should pay attention for developing C/C composites further Key words CVI computer simulation model: C/C composites 炭/炭复合材料是新型复合材料的一种,它是艺特点,表面易结壳硬化,减缓沉积速度,必要时需 以炭为基体,由炭纤维或其制品(炭毡或炭布)增强要特殊处理(如切削处理),不但增加了成本,而且 的复合材料,具有质量轻、模量高、比强度大、热膨使得沉积时间很长(几百甚至上千小时),沉积密度 胀系数低、耐高温、耐热冲击、耐腐蚀、摩擦性好等差很大,大大限制了炭/炭复合材料的应用潜力。为 优点1-。已经在很多领域得到应用,特别在航空航了优化等温CⅥ工艺,必须充分了解其沉积机理, 天领域,如航空发动机、火箭、飞机刹车轮上,因此,而沉积是在高温,封闭状态下进行,不可能直接观 世界各发达国家都投入大量的人力物力来进行炭/察和测试,间接测试也很困难。计算机模拟技术能 炭复合材料制备工艺的研究。CⅥ工艺是炭/炭复够通过数值模拟和物理模拟相结合的办法在计算 合材料最重要的制备工艺,目前,应用比较成熟的机上动态显示炭/炭复合材料制备工艺的过程,分 有等温CⅥI工艺、热梯度CⅥ工艺、压差法、液气相析数据,预测缺陷,可以对设计中的工艺参数进行 CⅥ法等,其中,应用最广且已经形成生产规模的是优化,检验设计新思想,所以它能够很好的解决上 等温CⅥ工艺如英国 Dunlop公司应用该工艺生产述困难,对炭/炭复合材料等温CV工艺的研究具 炭盘坯体。等温CⅥ工艺具有很多优点,如:沉积工有十分积极的意义。 艺稳定,在制备过程中能避免直接接触预制体,可 材料制备工艺的的计算机模拟在上世纪70年 以防止对纤维和基体的破坏,通过沉积可以优化材代提出后,经过近30年的发展,已经取得了很大的 料的微观结构,提高材料性能,但也有缺点:由于工进展。但对炭/炭复合材料CⅥ工艺的模拟发展却 作者简介:向巧硬士研究生,主要从事C/C复合材料研究工作 通讯作者:罗瑞盈教授,E- mail: ryluo@bua.edu,cn 收稿日期:2007-08-30 万方数据
2009年第1期 第28卷 CARBON TECnmQUES 炭素技术 2009№1 VoI．28 炭／炭复合材料等温CVI工艺计算机模拟的应用 向巧，罗瑞盈，章劲草 (北京航空航天大学理学院材料物理与化学研究中心，北京 100191) 摘要：评述了计算机模拟技术在炭／炭复合材料制备工艺中的应用，主要论述了在模拟等温CVI工艺中经常使用的单孔模 型、孔隙模型和有限差分模型，分析了单孔模型在模拟微观过程的应用，孔隙模型和有限差分模型根据预制体的几何形状和结 构特征选用的理论依据和可行性，并在此基础上对该领域的发展提出了若干建议。 关键词：CVI计算机模拟；动力学模型；炭／炭复合材料 中图分类号：TB332；TP391．77 文献标识码：A 文章编号：1001．3741(2009)01-40-04 DEVELoPMENT oF CoMPUTER SIMULATIoN IN C／C CoMPoSITES DEoPSIED BY ISoTHERMAL CHEMICAL VAPoR INFILTRATIoN XIANG Qiao,LUO Rui．．ying,ZHANG Jin．．cao (Research Center of Material Physics and Chemistry,College of Science,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100191，China) Abstract：This paper described the application of the computer simulation in the c／c composites manufacturing process．It mainly viewed the development of the single pore models,the porous models and the finite difference models for the Isothermal Chemical Vapor Infiltration,described the u8e of the single pore models in the microcosmic deposition process,and analysed the theory which we based on when we choice the porous models or the finite difference models according to the geometrical model and the structure characters of the preform．Based on the analysis,80me suggestions which should pay attention for developing C／C composites further, have been given。 Key word震CVI computer simulation；dynamic model；C／C composites 炭／炭复合材料是新型复合材料的一种，它是 以炭为基体，由炭纤维或其制品(炭毡或炭布)增强 的复合材料，具有质量轻、模量高、比强度大、热膨 胀系数低、耐高温、耐热冲击、耐腐蚀、摩擦性好等 优点¨一，】。已经在很多领域得到应用，特别在航空航 天领域，如航空发动机、火箭、飞机刹车轮上，因此， 世界各发达国家都投人大量的人力物力来进行炭／ 炭复合材料制备工艺的研究。CVI工艺是炭／炭复 合材料最重要的制备工艺，目前，应用比较成熟的 有等温CVI工艺、热梯度CVI工艺、压差法、液气相 CVI法等，其中，应用最广且已经形成生产规模的是 等温CVI工艺，如英国Dunlop公司应用该工艺生产 炭盘坯体。等温CVI工艺具有很多优点，如：沉积工 艺稳定，在制备过程中能避免直接接触预制体，可 以防止对纤维和基体的破坏，通过沉积可以优化材 料的微观结构，提高材料性能，但也有缺点：由于工 作者简介：向巧硕士研究生，主要从事C／C复合材料研究工作。 通讯作者：罗瑞盈教授，E．mail：ryluo@buaa．edu．cn。 收稿日期：2007—08—30 艺特点，表面易结壳硬化，减缓沉积速度，必要时需 要特殊处理(如切削处理)，不但增加了成本，而且 使得沉积时间很长(几百甚至上千小时)，沉积密度 差很大。大大限制了炭／炭复合材料的应用潜力。为 了优化等温CVI工艺，必须充分了解其沉积机理， 而沉积是在高温，封闭状态下进行，不可能直接观 察和测试，间接测试也很困难。计算机模拟技术能 够通过数值模拟和物理模拟相结合的办法在计算 机上动态显示炭／炭复合材料制备工艺的过程，分 析数据，预测缺陷，可以对设计中的工艺参数进行 优化，检验设计新思想，所以它能够很好的解决上 述困难，对炭／炭复合材料等温CVI工艺的研究具 有十分积极的意义。 材料制备工艺的的计算机模拟在上世纪70年 代提出后，经过近30年的发展，已经取得了很大的 进展。但对炭／炭复合材料CVI工艺的模拟发展却 万方数据
第1期 向巧炭/炭复合材料等温CⅥ工艺计算机模拟的应用 很晚,只有近10年的历史。目前,国内外进行此项速度,即孔内的气体浓度稳定 研究的也不多。到目前为止,发表文章对cI建立 (3)孔的长度远远大于孔的半径。 数值模型的有 Fitzer等的单孔模型W, Tai Nyan- 根据传热学理论结合该模型建立此反应过程 Hwa等的平行孔隙模型,Cmie和他的合作者提的一维传质连续方程: 出的随机重叠模型10,Star等提出的node- percola Da°C-Kcs=0 ion模型, Gupte等的 Bethe lattice- percolation模 型,西北工业大学的姜开宇等提出的孔隙模型9 边界条件: 侯向辉等提出的有限差分模型10。在这些模型中 C:=ca(x=t,。c、00 (1) 应用比较多的主要有单孔模型、孔隙模型和有限差 根据上面方程可以得出反应气浓度C,代入下 分模型。 式得出沉积速率:R=Ks·C 式中:x为沿扩散方向的位置坐标;C为反应 1单孔沉积过程的模拟 物i的体积浓度;t为时间;Dm为有效扩散系数;R 为单位表面积的沉积速率;S为单位体积预制体的 等温CⅥ工艺最大的缺陷就是制备周期太长,表面积;Ca为孔外反应气的浓度;K为反应速率常 在制备过程中,碳氢气体不断地从预制体表面流数。该模型可以比较成功地对单个孔隙的沉积过程 完全通过扩散作用进入其内部,所以气 进行模拟,了解时间、孔内位置对沉积速率的影响 制体表面的输送状态远好于内部,使得热解炭在表用来指导优化制备工艺,得到最理想的沉积过程如 面优先沉积,过早地封闭了孔隙,为了改善这种状图2(c,(小所示,这时的扩散速度远大于沉积速度 应防止沉积速度大于扩散速度,这样会发生如图2 单孔模型所模拟的就是微观状态下的沉积过程,目 (a),(b)的情况,过早阻塞孔隙使得沉积中断 前,很多情况下都利用单孔模型对CⅥ工艺微观状 态进行模拟 单孔模型是其他模型的基础,也是现在应用最 2宏观过程的模拟 广的一种模型,它于1957年由 Petersen提出,并被 等温CⅥI工艺过程非常复杂,热解温度、前驱 Vaidyaraman等首先应用于对SC基复合材料CⅤIl 体气体流量、气体浓度、扩散方向、预制体的形状大 过程的模拟。单孔模型把炭纤维孔隙抽象为一个 小、孔隙的大小及分布,对其都有影响,为了更好地 很长的圆柱形孔,在该模型的基础上编程,输入相 应的孔的结构参数和时间就可以模拟出在纤维孔 了解它们对沉积过程的影响,必须根据不同的预制 体的结构选择数学模型对ICv工艺进行模拟,提高 隙内的任一点处的沉积速率,对了解沉积机理和防模拟精确度 止预制体结壳有一定的指导作用,如图1所示。 2.1利用孔隙模型对等温CⅥI工艺进行模拟 动力模型的建立 假设 孔隙模型是1998年西北工业大学的姜开宇等 提出的9,该数学模型把预制体抽象为圆柱体,在横 (1)反应气为理想气体且在孔内只靠扩散作用 截面上均匀分布着相互平行且直径相等的圆柱形 进行传质。 孔隙,把预制体沿厚度z方向分成若干厚度均匀且 (2)反应气的扩散速度远远大于热解炭的沉积相互平行的单元(一层或几层炭布),该模型如图3 所示。和利用该模型可以很好地模拟两向或者多向炭 反应气 图1单孔模型 Fig 1 Single pore model 图2单孔沉积过程 图3孔隙模型的示意图 2 The deposition process of single pore Fig 3 Schematic diagram of porous model 万方数据
第1期 向巧炭／炭复合材料等温CVI工艺计算机模拟的应用 。41。 很晚，只有近lO年的历史。目前，国内外进行此项 研究的也不多。到目前为止，发表文章对CVI建立 数值模型的有Fitzer等的单孔模型1．1，％Nyan— Hwa等的平行孔隙模型【j J，Currier和他的合作者提 出的随机重叠模型16J，Start等提出的node—percola— tion模型‘71，Gupte等的Bethe lattice—percolation模 型18】，西北工业大学的姜开宇等提出的孔隙模型191， 侯向辉等提出的有限差分模型【101。在这些模型中， 应用比较多的主要有单孔模型、孔隙模型和有限差 分模型。 1 单孔沉积过程的模拟 等温CVI工艺最大的缺陷就是制备周期太长， 在制备过程中，碳氢气体不断地从预制体表面流 过，完全通过扩散作用进入其内部，所以气体在预 制体表面的输送状态远好于内部，使得热解炭在表 面优先沉积，过早地封闭了孔隙，为了改善这种状 况·，必须了解在微观状态下孑L隙表面的沉积情况。 单孔模型所模拟的就是微观状态下的沉积过程，目 前，很多情况下都利用单孑L模型对CVI工艺微观状 态进行模拟。 单孔模型是其他模型的基础，也是现在应用最 广的一种模型，它于1957年由Petersen提出，并被 Vaidyaraman等首先应用于对SiC基复合材料CVI 过程的模拟H1。单孔模型把炭纤维孔隙抽象为一个 很长的圆柱形孔，在该模型的基础上编程，输入相 应的孔的结构参数和时间就可以模拟出在纤维孔 隙内的任一点处的沉积速率，对了解沉积机理和防 止预制体结壳有一定的指导作用，如图1所示。 动力模型的建立 假设： (1)反应气为理想气体且在孔内只靠扩散作用 进行传质。 (2)反应气的扩散速度远远大于热解炭的沉积 警E三二二二 图1 单孔模型 Fig．1 Single pore model =口]‘]二]=I a b c d 圈2单孔沉积过程 Fig．2 The deposition process of single pore 速度，即孔内的气体浓度稳定。 (3)孔的长度远远大于孔的半径。 根据传热学理论结合该模型建立此反应过程 的一维传质连续方程： D等一凰∞=o 边界条件： G=co(茹=±￡)，等：0，警：0 (1) 根据上面方程可以得出反应气浓度G，代入下 式得出沉积速率：Ri_Ks·Ci (2) 式中：戈为沿扩散方向的位置坐标；Ci为反应 物i的体积浓度；t为时间；D鲋为有效扩散系数；R； 为单位表面积的沉积速率；S为单位体积预制体的 表面积；Co为孔外反应气的浓度；Ks为反应速率常 数。该模型可以比较成功地对单个孔隙的沉积过程 进行模拟，了解时间、孔内位置对沉积速率的影响， 用来指导优化制备工艺，得到最理想的沉积过程如 图2(c)，(d)所示，这时的扩散速度远大于沉积速度； 应防止沉积速度大于扩散速度，这样会发生如图2 (a)，(b)的情况，过早阻塞孔隙，使得沉积中断。 2 宏观过程的模拟 等温CVI工艺过程非常复杂，热解温度、前驱 体气体流量、气体浓度、扩散方向、预制体的形状大 小、孔隙的大小及分布，对其都有影响，为了更好地 了解它们对沉积过程的影响，必须根据不同的预制 体的结构选择数学模型对ICVI工艺进行模拟，提高 模拟精确度。 2．1 利用孔隙模型对等温CVI工艺进行模拟 孔隙模型是1998年西北工业大学的姜开宇等 提出的旧】，该数学模型把预制体抽象为圆柱体，在横 截面上均匀分布着相互平行且直径相等的圆柱形 孔隙，把预制体沿厚度z方向分成若干厚度均匀且 相互平行的单元(一层或几层炭布)，该模型如图3 所示。利用该模型可以很好地模拟两向或者多向炭 反应气 图3孔隙模型的示意圈 Fig．3 Schematic diagram of porous model 万方数据
布层叠且直径远远大于其厚度的预制体的等温C 工艺的制备过程 动力模型的建立 假设 (1)反应气只进行扩散运动向预制体内部传质。 (2)在沉积过程中,反应气在孔隙间的扩散速度远 券养 远大于热解炭的沉积速度,可认为沉积过程为一稳 态过程,反应气的浓度在预制体内外是均匀的,即 在预制体内外的浓度梯度为零。 图4cⅥ有限鑾分横型 Fig. 4 The finite diflerence model for chemical vapor infiltration (3)预制体的直径远大于其厚度,扩散只沿厚 度方向进行,忽略径向扩散传质 向辉等提出的o,该模型适合于单向或两向炭布缠 由传质理论结合该模型可得传质连续方程为:绕且长度远远大于半径的预制体,预制体被抽象为 Derl aCaC a'ci -Ks·S·Cr=0 规则圆柱体,把圆柱体划分为若干个等距离的圆 环,每个圆环为一个单元(一般包括一层或几层炭 Cilt Da= Co: Cil IoH= Co 毡),该模型如图4。利用此数学模型所编的程序在 边界条件:n=b4,mD(3)等温CW工艺中运用的很多,它可以预测预制体内 的任一时刻、任一点的反应气浓度,热解炭的沉积 式中:Da为有效扩散系数;K为热解炭的沉情况、沉积分布是否均匀、孔隙的变化情况,预测在 积速率。 此反应条件下的沉积中止时间和中止时的孔隙率 几何模型的建立: 沉积密度等。此模型的模拟结果为有量纲值,可与 该模型横截面上单位面积的孔隙数量mo为:实验值进行有效比较,对优化和改善CⅥI工艺有 (4)定的指导作用。 单位体积沉积表面的面积S为 S=no·2丌·ro (5) (1)同一单元内的各个工艺变量都相等(温度 式中:n为圆柱形孔隙半径,在实际应用时取前驱气体浓度、气压等),各点的结构因素和物理性 纤维束平均间隙的1/2;B为沉积前的孔隙率。 质是一致的,所以在同一单元内的沉积是均匀的 在该模型中,随着沉积时间的增加,热解炭不不发生传热、传质现象,传热、传质只发生在相邻单 断沉积在圆柱孔表面上,使得孔隙半径r逐渐变元之间 小,假设经过时间At后半径由→r·,根据沉积速 (2)在预制体内,前驱体气体只进行扩散运动 率可得出孔隙半径是反应气浓度的函数,它们的函传热以热传导的方式为主,预制体的长径比很大 数关系方程为 传热和传质只沿径向方向进行 K·C·S·M·A (3)在极小的时间增量内,预制体内的传质和 (6)传热视为稳态。 式中:M为热解炭的摩尔质量;p为热解炭的 (4)每一单元内的纤维体积数相等。 密度 在不同的沉积阶段,由于预制体内的孔隙结构 对该动力学方程进行离散化时可用有限差分发生变化传质连续方程也不相同: 法,因为有限差分法在设计规则均匀的模型时,程 1)在热解炭沉积初期,由于前驱体的浓度变化 序相对简单些,且收敛性好,选用适当的编程工 可以在预制体内迅速达到稳态,而且此时的孔隙变 具在有限差分法的基础上编ICⅥ的模拟程序。利用 化不大,可以认为有效扩散系数Dm为常数,此时的 该程序输人反应气的工艺参数(如反应气浓度、温前驱气体浓度分布方程为: 度等)和预制体的结构参数(孔隙率、半径、厚度等) 就可以模拟出在预制体内不同点的沉积速率,显示 R时,C=C 出各参数对沉积过程的影响,模拟出的结果是有量 边界条件: 纲值,可以与实验值直接比较 r=0时 2.2有限差分模型等温CⅥ工艺过程模拟 式中:C为前驱气体浓度;C为预制体外的气体浓 有限差分模型是1998年由西北工业大学的侯度。利用此方程可以解出沉积初期的反应气浓度分 万方数据
·42· 炭素技术 20眇年 布层叠且直径远远大于其厚度的预制体的等温CVI 工艺的制备过程。 动力模型的建立 假设： (1)反应气只进行扩散运动向预制体内部传质。 (2)在沉积过程中，反应气在孔隙间的扩散速度远 远大于热解炭的沉积速度，可认为沉积过程为一稳 态过程，反应气的浓度在预制体内外是均匀的，即 在预制体内外的浓度梯度为零。 (3)预制体的直径远大于其厚度，扩散只沿厚 度方向进行，忽略径向扩散传质。 由传质理论结合该模型可得传质连续方程为： 如÷鲁+等等卜鼠～S Ct--0 f Cil—D／2=co；GI--01t=岛 边界条件：{善譬I，。。：o；之鱼l，。肌：o(3) I dr 们 式中：如为有效扩散系数；Ks为热解炭的沉 积速率。 几何模型的建立： 该模型横截面上单位面积的孔隙数量no为： no=占／(叮rr02) (4) 单位体积沉积表面的面积S为： S=no·2订·ro (5) 式中：ro为圆柱形孔隙半径，在实际应用时取 纤维束平均间隙的l／2；8为沉积前的孔隙率。 在该模型中，随着沉积时间的增加，热解炭不 断沉积在圆柱孔表面上，使得孑L隙半径r逐渐变 小，假设经过时间出后半径由r叶r+，根据沉积速 率可得出孔隙半径是反应气浓度的函数，它们的函 数关系方程为： (6) 式中：胍为热解炭的摩尔质量；pi为热解炭的 密度。 对该动力学方程进行离散化时可用有限差分 法，因为有限差分法在设计规则均匀的模型时，程 序相对简单些，且收敛性好¨11，选用适当的编程工 具在有限差分法的基础上编ICVI的模拟程序。利用 该程序输入反应气的工艺参数(如反应气浓度、温 度等)和预制体的结构参数(孔隙率、半径、厚度等) 就可以模拟出在预制体内不同点的沉积速率，显示 出各参数对沉积过程的影响，模拟出的结果是有量 纲值，可以与实验值直接比较。 2．2 有限差分模型等温CⅥ工艺过程模拟 有限差分模型是1998年由西北工业大学的侯 孔隙 √＼一。Iz 扇励I／、 纤熙C0 移 O 一 ， ’二 圈4 CVI有限差分模型 Fib 4 The finite difference model for chemical vapor infdtration 向辉等提出的【1们，该模型适合于单向或两向炭布缠 绕且长度远远大于半径的预制体，预制体被抽象为 规则圆柱体，把圆柱体划分为若干个等距离的圆 环，每个圆环为一个单元(一般包括一层或几层炭 毡)，该模型如图4。利用此数学模型所编的程序在 等温CVI工艺中运用的很多，它可以预测预制体内 的任一时刻、任一点的反应气浓度，热解炭的沉积 情况、沉积分布是否均匀、孔隙的变化情况，预测在 此反应条件下的沉积中止时间和中止时的孔隙率、 沉积密度等。此模型的模拟结果为有量纲值，可与 实验值进行有效比较，对优化和改善CVI工艺有一 定的指导作用。 假设： (1)同一单元内的各个工艺变量都相等(温度、 前驱气体浓度、气压等)，各点的结构因素和物理性 质是一致的，所以在同一单元内的沉积是均匀的， 不发生传热、传质现象，传热、传质只发生在相邻单 元之间。 (2)在预制体内，前驱体气体只进行扩散运动， 传热以热传导的方式为主，预制体的长径比很大， 传热和传质只沿径向方向进行。 (3)在极小的时间增量内，预制体内的传质和 传热视为稳态。 (4)每一单元内的纤维体积数相等。 在不同的沉积阶段，由于预制体内的孔隙结构 发生变化，传质连续方程也不相同： 1)在热解炭沉积初期，由于前驱体的浓度变化 可以在预制体内迅速达到稳态，而且此时的孔隙变 化不大，可以认为有效扩散系数D．a为常数，此时的 前驱气体浓度分布方程¨0I为： 尝I三婴+墨竺c：0-D 4 ‘‘。。_-。一一-．=： a产。r a r D啦’ f r=Ro时，C=Co 边界条件：J a r (7) l r=0时，半=0 I d r 式中：c为前驱气体浓度；Co为预制体外的气体浓 度。利用此方程可以解出沉积初期的反应气浓度分 万方数据
第1期 向巧炭/炭复合材料筝温cⅥ工艺计算机模拟的应用 布C(r)。 学模型。 2)在沉积过程中,由于预制体内孔隙结构发生 (2)由于在现实实验中的预制体都为三维实体, 变化,使得有效扩散系数Dm不再是常量。这时,只所以最好的数学模型应该建立在三维之上,而现在 能用数值算法列出每个单元的质量守恒方程。在时的数学模拟还只能是二维模型甚至一维模型。 间增量At足够小时,可认为每一单元内处于稳态,(3)应该发展有限元法在模拟中的应用,因为 即在时间增量M内每一单元的温度和反应气浓度有限元法现在在很多模拟技术中已经非常成熟,理 都不变化,结合该模型列出各个单元的质量守恒方论也已发展得很完善而且已应用于实际生产中 程为: 如何更好地利用计算机模拟技术进行炭/炭复 当n=1时 合材料制备工艺的模拟,并且使其真正应用到现实 D(1)[C(2)-C(1) 生产中,应该是广大材料科研工作者的一个重点研 究课题 Ks(1)Sv(1)Vm(1)C(1)=0 当1<n<N时 参考文献 Da( n)[C(n+1)-C(n)]_Sufi(n) [1] LUO R Y, YANG Z, LI L F. Efect of additives on m D(n[C(n)-C(n-1)]S--(n-1) composite fabricated by rapid CVD method [J],Carbon 2115. Ks(n)Sv(n)Vaai( n)C(n)=0; [2] LUOR Y, LIU T, LIJ S, et al. Thermophysical pr 当n=N时 D. niCo-c( N)) Sufe(N) of thermal expansion and thermal conductivity[J].Car- Dal C(N)-C(N-1)]Swf(N) [3] SCHMIDT DL, DAVIDSON KE, THETBERT IS. Unique KS(N)S(N)C(N)=O SAMPE J,1999,35(3):27~39 式中:N为单元数。 [4] VAIDYARAMAN S. LACKEY W J, AGRAWAL PK, et 此方程可以解出反应气浓度的离散解C(n)。 在此模型中,由于前驱体在热分解时产生的热 cal vapor infiltration process for carbon/carbon 量相对于加热源来说很小,可以忽略不计。 es[刀]. Carbon,1996,34(9):1 [5] TAINYAN H, CHOUTSU W. Modeling of an 3结论 fabrication [] J Am Ceram Soc, 1990; 73(6):1489 本文对等温cⅥ过程的计算机模拟应用进行6 CURRIER R P. Overlap model for chemical vapor infil- 了探讨,论述了目前模拟炭/炭复合材料等温CI tration of fibrous yams[J]. J Am Ceram Soc, 1990, 73 工艺所利用的数学模型。从利用单孔模型到孔隙模 型和有限差分模型,所建立的数学模型越来越接近7 STARR T L Gas transport model for chemical vapor in- 实际的预制体结构和孔隙变化,并在具体情况下选 tration[. J Mater Res,1995,10(9):2360~2366 择不同的模型,使得模拟技术不断得到完善,所模8】 GUPTE S M, TSAMOPOULOS J A. Forced- chemi- 拟得到的结果也越来越能够与实际的实验结果相 al vapor infiltration of porous ceramic materials[J].J 符合。由于模拟技术的优越性,可以预测计算机模 Electrochem Soc,1990,137(11):3675~3682 9]姜开字,李贺军,李克智,2D炭/炭复合材料CⅥ过程 拟技术在炭/炭复合材料CⅥI工艺中的应用将不断 的数值模拟研究[J.宇航学报,1999(4):104-107 加强但就现在而言还有很多不足 [10]侯向辉,李贺军,李克智,等,单向炭炭复合材料CvI (1)由于实际预制体的内部结构和前驱体气体 致密化模拟研究[J].复合材料学报,1990(2):129 在孔隙中的反应过程非常复杂,还没有一个数学模 型能够精确模拟预制体的结构变化过程,所以必须[张国瑞.有限元法[M].北京:机械工业出版社 设法建立能够真正与实际预制体的结构相符的数 1991.12. 万方数据
第1期 向巧炭／炭复合材料等漫CⅥ工艺计算机模拟的应用 。躬。 布C(r)。 2)在沉积过程中，由于预制体内孔隙结构发生 变化，使得有效扩散系数D,a不再是常量。这时，只 能用数值算法列出每个单元的质量守恒方程。在时 间增量△t足够小时，可认为每一单元内处于稳态， 即在时间增量△t内每一单元的温度和反应气浓度 都不变化，结合该模型列出各个单元的质量守恒方 程为： 当n=1时 啪)【c(2)一c(1)】半一 恐(1)sv(1)‰n(1)C(1)=0； 当1<n<Ⅳ时 D诳(n)【c(儿+1)一c(n)】—曼釜坐盟一 Dh(n)【c(n)一c(n—1)】』!竺兰竺djL二!上一 Ks(n)Sv(n)‰(n)C(n)=0； 及舢7)【Co—c(Ⅳ)】半一 。，曩?2Ⅳ曼。们s蛐赫(Ⅳ) D缸【c(Ⅳ)一c(Ⅳ一1)】一型．!!L一 憨(Ⅳ)Sv(Ⅳ)C(N)=0 式中：Ⅳ为单元数。 此方程可以解出反应气浓度的离散解C(n)。 在此模型中，由于前驱体在热分解时产生的热 量相对于加热源来说很小，可以忽略不计。 3 结论 本文对等温CVI过程的计算机模拟应用进行 了探讨，论述了目前模拟炭／炭复合材料等温CVI 工艺所利用的数学模型。从利用单孔模型到孔隙模 型和有限差分模型，所建立的数学模型越来越接近 实际的预制体结构和孔隙变化，并在具体情况下选 择不同的模型，使得模拟技术不断得到完善，所模 拟得到的结果也越来越能够与实际的实验结果相 符合。由于模拟技术的优越性，可以预测计算机模 拟技术在炭／炭复合材料CVI工艺中的应用将不断 加强，但就现在而言还有很多不足： (1)由于实际预制体的内部结构和前驱体气体 在孔隙中的反应过程非常复杂，还没有一个数学模 型能够精确模拟预制体的结构变化过程，所以必须 设法建立能够真正与实际预制体的结构相符的数 学模型。 (2)由于在现实实验中的预制体都为三维实体， 所以最好的数学模型应该建立在三维之上，而现在 的数学模拟还只能是二维模型甚至一维模型。 (3)应该发展有限元法在模拟中的应用，因为 有限元法现在在很多模拟技术中已经非常成熟，理 论也已发展得很完善，而且已应用于实际生产中。 如何更好地利用计算机模拟技术进行炭／炭复 合材料制备工艺的模拟，并且使其真正应用到现实 生产中，应该是广大材料科研工作者的一个重点研 究课题。 参考文献： 【1】LUO R Y，YANG Z。LI L F．Effect of additives on mechanieal properties of oxidation—resistance carbon／carbon composite fabricated by rapid CVD method[J】．Carbon， 2000。38：2109—2115． 【2】LUO R Y，LIU T，LI J S，et a1．Thermophysieal properties of carbon／carbon composites and physical mechanism of thermal expansion and thermal conductivity[J]．Carbon，2004，42：2887—2895． 【3】 SCHMIDT DL,DAVIDSON KE．THEIBERT LS．Unique applications of carbon—carbon composite materials[J】． SAMPE J，1999，35(3)：27～39． 【4】 VMDYARAMAN S，LACKEY W J，AGBAWAL P K，et a1．1一D model for forced flow—thermal gradient ehemical vapor infiltration process for carbon／carbon compesitesIJ]．Carbon，1996，34(9)：1123—1133． 【5】TAINYAN H．CHOUTSU W．Modeling of an improved chemical vapor infiltration process for ceramic composites fabrication[J】．J Am Ceram S∞，1990；73(6)：1489— 1498． 【6】 CURRIER R P．Overlap model for chemical vapor infil． tration of fibrous yarrm[J】．J Am Ceram Soc，1990。73 (8)：2274～2282． [71 STARR T L Gas transport model for chemical vapor infiltration[J】．J Mater Res，1995，10(9)：2360—2366． 【8】 GUPTE S M，TSAMOPOULOS J A．Forced—flow ehemi． cal vapor infiltration of porous ceramic materials[J】．J Electrochem Soc，1990，137(11)：3675—3682． 【9】 姜开宇，李贺军，李克智．2D炭／炭复合材料CVI过程 的数值模拟研究[J】．宇航学报，1999(4)：104—107． 【10】侯向辉，李贺军，李克智，等．单向炭炭复合材料CVI 致密化模拟研究【J J．复合材料学报，1990(2)：129— 134． 【ll】张国瑞．有限元法[M】．北京：机械工业出版社， 1991．12． 万方数据
炭/炭复合材料等温CVI工艺计算机模拟的应用 旧数据 文献链接 向巧,罗瑞盈,章劲草, XIANG Qiao, LUO Rui-ying, ZHANG Jin-cao 作者单位 北京航空航天大学,理学院材料物理与化学研究中心,北京,100191 炭素技术sT 英文刊名: CARBON TECHNIQUES 年,卷(期): 2009,28(1) 被引用次数: 1. LUOR Y: YANG Z: LI L F Ef ffect of additives on mechanical properties of c xidation-resistance carbon/ carbon composite fabricated by rapid CVD method[外文期刊]2000(15) 2. LUO R Y: LIU T: LI J S Thermophysical properties of carbon/carbon composites and physical mechani ion and thermal conductivity[外文期刊]2004(14) 3. SCHMIDT DL: DAVIDSON KE: THEIBERT LS Unique applications of carbon-carbon composite materialsLTx#H 刊]1999(03) 4. VAIDYARAMAN S: LACKEY W J: AGRAWAL P K I-D model for forced flow-thermal gradient chemical vapor infiltration process for carbon/ carbon composites[外文期刊]1996(09 5. TAINYAN H: CHOUTSU W Modeling of an improved chemical vapor infiltration process for ceramic composites fabrication[外文期刊]19906) 6. CURRIER R P Over lap model for chemical vapor infiltration of fibrous yarns[外文期刊]1990(08) 7. STARR T L Gas transport model for chemical vapor infiltration[外文期刊1995(09 8. GUPTE S M: TSAMOPOULOS J A Forced-flow chemical vapor infiltration of porous ceramic materials[ASx 期刊]1990(11) 9.姜开宇;李贺军:李克智2D炭/炭复合材料CV过程的数值模拟研究[期刊论文]-宇航学报19904) 0.侯向辉;李贺军;李克智单向炭炭复合材料CⅥI致密化模拟研究[期刊论文]-复合材料学报1990(02) 1张因瑞有限元法1991 1.师雪霖赵英·王雪品. Shi xuelin. Zhao Ying. Wang Xue jing基于CGSP搭建的化工网格及其应用[期刊论文]-计 算机与应用化学2008.25(7) 2.赵而敬.张维佳沈燕龙.张静.林军.杨东杰. Havugimana Jean Jacques纳米硅薄膜太阳电池工艺参数的优化与 制备[会议论文]-2010 3.沈燕龙.张维佳.赵而敬.张静.杨东杰林军.亚克氢化纳米硅薄膜的椭偏表征[会议论文]-2010 4.李进松.罗瑞盈马婷婷.白树林. LI Jin- song LUO Rui-ying. MA Ting-ting. baI Shu-1in炭纳米纤维添加剂对 炭/炭复合材料力学性能影响[期刊论文]炭素技术2006,25(4) 5.蒋娜.罗瑞盈. JIANG Na.LU0Rui-ying木基C/C复合材料的制备与性能研究[期刊论文]-炭素技术2008,27(5) 6.李海波.聂福德.黄明应用ML化学反应数据库设计含能材料合成路线研究[期刊论文]一含能材料2002,10(2 7.吴小文.张维佳.钟立志.黄浩Gel-xCx薄膜的制备及红外特性的研究[期刊论文]-材料工程2005(1) 8.罗京华罗瑞盈张伟刚用AP-MCWD法在炭纤维上制备Fe薄膜[会议论文1-2007 9.丁照崇.张维佳.金飞.闫兰琴.张心强.武美伶.贾士亮.王天民掺MbIT0膜的光电性能研究[会议论文]-2006 10.刘涛·罗瑞盈李进松·张仁钦预制体结构对炭/炭复合材料热扩散率影响研究[会议论文]-2005
炭/炭复合材料等温CVI工艺计算机模拟的应用 作者： 向巧， 罗瑞盈， 章劲草， XIANG Qiao， LUO Rui-ying， ZHANG Jin-cao 作者单位： 北京航空航天大学,理学院材料物理与化学研究中心,北京,100191 刊名： 炭素技术 英文刊名： CARBON TECHNIQUES 年，卷(期)： 2009,28(1) 被引用次数： 1次 参考文献(11条) 1.LUO R Y;YANG Z;LI L F Effect of additives on mechanical properties of oxidation-resistance carbon/carbon composite fabricated by rapid CVD method[外文期刊] 2000(15) 2.LUO R Y;LIU T;LI J S Thermophysical properties of carbon/carbon composites and physical mechanism of thermal expansion and thermal conductivity[外文期刊] 2004(14) 3.SCHMIDT DL;DAVIDSON KE;THEIBERT LS Unique applications of carbon-carbon composite materials[外文期 刊] 1999(03) 4.VAIDYARAMAN S;LACKEY W J;AGRAWAL P K 1-D model for forced flow-thermal gradient chemical vapor infiltration process for carbon/carbon compesites[外文期刊] 1996(09) 5.TAINYAN H;CHOUTSU W Modeling of an improved chemical vapor infiltration process for ceramic composites fabrication[外文期刊] 1990(06) 6.CURRIER R P Overlap model for chemical vapor infiltration of fibrous yarns[外文期刊] 1990(08) 7.STARR T L Gas transport model for chemical vapor infiltration[外文期刊] 1995(09) 8.GUPTE S M;TSAMOPOULOS J A Forced-flow chemical vapor infiltration of porous ceramic materials[外文 期刊] 1990(11) 9.姜开宇;李贺军;李克智 2D炭/炭复合材料CVI过程的数值模拟研究[期刊论文]-宇航学报 1999(04) 10.侯向辉;李贺军;李克智 单向炭炭复合材料CVI致密化模拟研究[期刊论文]-复合材料学报 1990(02) 11.张国瑞 有限元法 1991 本文读者也读过(10条) 1. 师雪霖.赵英.王雪晶.Shi Xuelin.Zhao Ying.Wang Xuejing 基于CGSP搭建的化工网格及其应用[期刊论文]-计 算机与应用化学2008,25(7) 2. 赵而敬.张维佳.沈燕龙.张静.林军.杨东杰.Havugimana Jean Jacques 纳米硅薄膜太阳电池工艺参数的优化与 制备[会议论文]-2010 3. 沈燕龙.张维佳.赵而敬.张静.杨东杰.林军.亚克 氢化纳米硅薄膜的椭偏表征[会议论文]-2010 4. 李进松.罗瑞盈.马婷婷.白树林.LI Jin-song.LUO Rui-ying.MA Ting-ting.BAI Shu-lin 炭纳米纤维添加剂对 炭/炭复合材料力学性能影响[期刊论文]-炭素技术2006,25(4) 5. 蒋娜.罗瑞盈.JIANG Na.LUO Rui-ying 木基C/C复合材料的制备与性能研究[期刊论文]-炭素技术2008,27(5) 6. 李海波.聂福德.黄明 应用MDL化学反应数据库设计含能材料合成路线研究[期刊论文]-含能材料2002,10(2) 7. 吴小文.张维佳.钟立志.黄浩 Ge1-xCx薄膜的制备及红外特性的研究[期刊论文]-材料工程2005(1) 8. 罗京华.罗瑞盈.张伟刚 用AP-MOCVD法在炭纤维上制备Fe薄膜[会议论文]-2007 9. 丁照崇.张维佳.金飞.闫兰琴.张心强.武美伶.贾士亮.王天民 掺NbITO膜的光电性能研究[会议论文]-2006 10. 刘涛.罗瑞盈.李进松.张仁钦 预制体结构对炭/炭复合材料热扩散率影响研究[会议论文]-2005
1·向巧军用航空发动机再制造工程管理的认识与实践[期刊论文]中国工程科学 2013(1) 本文链接:http://d.wanfangdata.comcn/periodiCaltsjs200901010.aspx
引证文献(1条) 1.向巧 军用航空发动机再制造工程管理的认识与实践[期刊论文]-中国工程科学 2013(11) 本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_tsjs200901010.aspx
