材料工程/2006年增刊 C代表导热介质比热容,(kJ·kg1·K-);λ是有效3结论 导热系数,(W·m-1·K-1);Q表示单位体积热源体 在单位时间内放出的热量,(W·m-3);P为导热介质 本文建立了炭/炭复合材料热梯度CVI的2D轴 密度,(kg/m2)。U表示预制体内流体的速度向量,对称几何模型,以及热梯度CⅥ工艺中的导热微分方 程,对热梯度CⅥI工艺中的梯度温度场进行了模拟分 2.4温度场模拟结果 析,并将模拟结果与实际测试结果进行了对比,研究结 由热梯度cⅥI的工艺原理可知,沉积炉内的温度果表明模拟结果精确度高 场分布是影响工艺的重要因素沉积炉内温度梯度的 存在是本工艺的主要特征,图2是不同沉积时刻的温 参考文献 度场分布图。图中的Q1区域是钼棒发热体,也是沉[1 SAVAGE C. Carbon-carbon composites[M. London; Champman& 积炉的热源,而区域是由导热系数较低的炭纤维毡构 Hl,1993,351-359 成,区域是天然气自由流动的空间,由于天然气流速2140,12,1H, WANG C. The influence of therm 较快,在沉积的同时会带走大量的热能,而区域外侧 gradient on pyrocarbon deposition of carbon/ carbon composites during the CVI process[J]. Carbon, 2006,44(4): 786-791 的炉壁是由循环水冷却,所以如图所示近似为恒温3] BUCKLEY J D, EDIE DD. Carbon/ carbon materials and com 300K。从图2可以看到不同时刻在沉积炉内径向上 positesLM]. Park Ridge, New Jersey Noyes Publications, 1993 存在较大的温度梯度,而在轴向上温度均匀一致,与前 面为了研究问题方便所作的假设吻合。图3是在沉积4 ICALLISTER P: OLF EE. Simulation of a multiple substrate 工艺进行了120h后沉积炉内由热电偶直接测得的温 度场和模拟结果的比较,由图可见,模拟结果与沉积炉 bon-carbon composites[]. AICHE Journal, 1993, 39(7)11196 真实的温度场吻合,说明模拟结果真实可靠,可以用5 MIDDLEMAN S, HEBLE B, CHENG G C T. Improved un 来研究分析热梯度CVI的工艺过程。 ity of densification of ceramic composites through control of [6] MCALLISTER P, WOLF EE. Modeling of chemical vapor Infil tration of carbon in porous carbon substrates[J]. Carbon, 199 [7] Starr T L. Gas Transport model for chemical vapor infiltration [n].J [8] STARR T L, VINYARD G F, SMITH A W. Proceedings of the a- [9] GUPTE S M, TSAMOPOULOS 3, Forced-flow chemical vapor 图2模型中不同时刻的温度场分布 filtration of porous ceramic materials [J]. J Electrochem Soc Fig. 2 The simulated temperature field 1990,137(11):3675-3682. of the model at different times [10] TAI N H, CHOU T W. Analytical modeling of chemical vapor infiltration in fabrication of ceramic composites[J]. J Am Ceram Res,1989,72(3):414-420 [11] DEEPAK, EVANS J W. Mathematical model for chemical vapor rave heated preform [J]. J Am Cera soe,1993,76(8):1924-1929 [12 MORELL J I, ECONOMOU D J, AMUNDSON NR, A Math- natical model for chemical vapor infiltration with volume heat ing[J]. j electrochem Soc, 1992, 139(1):328-336. [13] LI K Z, LI H], JIANG K Y, HOU X H. Numerical simulation of isothermal chemical vapor infiltration process in fabrication of bon-carbon composites by finite element method[J].Science 图3在120h时热梯度沉积炉内温度场 In China(Series E), 2000, 43(1):77-85. Fig 3 The temperature field in the thermal-gradien [14]姜开宇,李贺军,侯向辉,李克智.碳基及陶瓷基复合材料CⅥI chemical vapor infiltration furnace at 120h (下转第333页) 万方数据328 材料工程／2006年增刊1 C。代表导热介质比热容，(kJ·kg_1·K-1)；A是有效 导热系数，(w·m_1·K_1)；臼表示单位体积热源体 在单位时间内放出的热量，(W·rfl_3)；P为导热介质 密度，(kg／m3)。U表示预制体内流体的速度向量， (m·S一1)。 2．4温度场模拟结果 由热梯度CVI的工艺原理可知，沉积炉内的温度 场分布是影响工艺的重要因素，沉积炉内温度梯度的 存在是本工艺的主要特征，图2是不同沉积时刻的温 度场分布图。图中的Q，区域是钼棒发热体，也是沉 积炉的热源，而区域是由导热系数较低的炭纤维毡构 成，区域是天然气自由流动的空间，由于天然气流速 较快，在沉积的同时会带走大量的热能，而区域外侧 的炉壁是由循环水冷却，所以如图所示近似为恒温 300K。从图2可以看到不同时刻在沉积炉内径向上 存在较大的温度梯度，而在轴向上温度均匀一致，与前 面为了研究问题方便所作的假设吻合。图3是在沉积 工艺进行了120h后沉积炉内由热电偶直接测得的温 度场和模拟结果的比较，由图可见，模拟结果与沉积炉 内真实的温度场吻合，说明模拟结果真实可靠，可以用 来研究分析热梯度CVI的工艺过程。 图2模型中不同时刻的温度场分布 Fig．2 The simulated temperature field of the model at different times Distance from the hot sidc|miTt 图3在120h时热梯度沉积炉内温度场 Fig 3 The temperature field in the thermal-gradient chemical vapor infiltration furnace at 120h 3 结论 本文建立了炭／炭复合材料热梯度CVI的2D轴 对称几何模型，以及热梯度CVI工艺中的导热微分方 程，对热梯度CVI工艺中的梯度温度场进行了模拟分 析，并将模拟结果与实际测试结果进行了对比，研究结 果表明模拟结果精确度高。 参考文献 [1]SAVAGE G．Carbon-carbon composites[M]．London：Champman＆ Hall。1993．351—359． [2] ZHAO J G，LI K z，LI H J，WANG C．The influence of thermal gradient on pyrocarhon deposition of carbon／carbon composites during the CVI process[J]．Carbon。2006，44(4)：786—791． [3] BUCKLEY J D，EDIE D D．carbon／carbon materials and corn— positesl,M]．Park Ridge，New Jersey：Noyes Publications，1993， 1—17． [4] MCALLISTER P，WOLF E E．Simulation of a multiple substrate reactor for chemical vapor infiltration of pyrolytic carbon with car— bon-carbon composites[J]．AICHE Journal，1993，39(7)：1196 —1209． [5] MIDDLEMAN S，HEBLE B，CHENG G C T．Improved uni— formity of densification of ceramic composites through control Of the intial preform porosity distribution[J]．J Mater Res，1990，5 (7)：1544—1548． [6] MCALLISTER P，WOLF E E．Modeling of chemical vapor Infil— tration of carbon in porous carbon substrates[J]．Carbon，1991， 29(3)：387—396． [7] Starr T L．Gas Transport model for chemical vapor infiltration FJ]．J Mater Res，1995，10(9)：2360--2366． [8]STARR T L，VINYARD G F，SMITH AW．Proceedings of the a— merican society for composites-fifth technic8l conferencel,C]．Pennsyl— vania，：Technical Publishing Company，1990，789—796． [9] GUPTE S M，TSAMOPOUL0s J．Forced—flow chemical vapor infiltration of porous ceramic materials[J]．J Electrochem Soc， 1990，137(11)：3675—3682． [10]TAI N H，CHOU T W．Analytical modeling of chemical vapor infiltration in fabrication of ceramic composites[J]．J Am Ceram Ras，1989，72(3)：414—420． [11]DEEPAK，EVANS J W．Mathematical model for chemical vapor infiltration with microwave heated preform[J]．J Am Ceram Soc，1993，76(8)：1924—1929． [12] MORELL J I，ECONOMOU D J，AMUNDSON N R．A Math— ematicaI model for chemical vapor infiltration with volume heat— ingFJ]．J electrochem Soc，1992，139(1)：328—336． 1,13]LI K Z，LI H J，JIANG K Y，HOU X H．Numerical simulation of isothermal chemicaI vapor infiltration process in fabrication of carbon-carbon composites by finite element methodl,J]．Science In China(Series E)，2000，43(1)：77—85． [14] 姜开宇，李贺军，侯向辉，李克智．碳基及陶瓷基复合材料CVI (下转第333页) p＼2；甚冀星 万方数据