材料工程/2006年增刊 炭/炭复合材料热梯度CVI工艺中温度 场的数值模拟 Numerical Simulation of Temperature Field in Thermal Gradient CVI Process for Carbon/Carbon Composites 赵建国2,李克智,李贺军,翟言强,王闯 (1西北工业大学材料学院,西安710072;2山西大同大学,山西大同037009) ZHAO Jian-guo, 2, LI Ke-zhi', LI He- jun' ZHAI Yan-qiang, WANG Chuang(1 School of Materials Science, Northwestern Polytechnical University, Xi 710072, China; 2 Shanxi Datong University, Datong 037009, Shanxi, China) 摘要:阐明了用于制备炭/炭复合材料的热梯度化学气相沉积工艺过程和原理测定了沉积过程中预成型体内不同位置 的温度。建立了炭/炭复合材料热梯度cⅥI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。 关词:炭/炭复合材料;热梯度化学气相沉积;温度场数值模拟 中图分类号:TB332文獻标识码:A文章编号:1001-4381(2006) Suppl-0326-03 bstract: It was illuminated the principle and advantage of thermal gradient chemical vapor infiltration (CvI)technology for preparation of carbon/carbon composites. the temperature gradient in preforms was measured and the plot of temperature gradient via position was presented and discussed. The sim- plifying 2D axial symmetric geometry model and the energy transport balance equations including heat conduction, convection and radiation were built, respectively. The simulation by the finite element method aimed to describe the temperature field of the thermal gradient Cvi processes for carbon/car bon composites had been performed. The simulated temperature fields were compared with the exp mental measure values Key words: carbon/ carbon composites; thermal gradient chemical vapor infiltration; temperature field numerical simulation 炭/炭复合材料综合了炭材料的高温性能和复合实验,对节省人力、物力财力以及将CⅥI工艺扩展到 材料优异的力学性能。它的主要性能特点有:耐烧蚀、大型、复杂制件的制备等具有重要的意义。通过建立 耐腐蚀、耐核辐射、化学惰性、高导电性、高导热性、低数学模型对CⅥI工艺过程进行数值模拟,深化对CⅤI 热膨胀系数、摩擦系数稳定高温下强度和刚度高以及工艺及其关键参数的理解,优化CVI工艺,缩短生产 良好的生物相容性等。到目前为止炭/炭复合材料已周期提高材料的性能是一条极为可行的途径。国内 成功地应用于导弹的再入头锥,固体火箭发动机喷管,外学者在这些方面作了大量的研究工作,其中Mcal 航天飞机结构件,民用飞机、军用飞机、高级轿车、重型 lister和Wolf提出了多个预制体同时增密的CⅥI数 汽车、高速列车、赛车的刹车盘,以及人工骨骼、关节、学模型。 Middleman-模拟了多孔预制体的等温C 心脏瓣膜、牙齿等生物材料等口-3。但是炭/炭复合材过程,分析了孔隙率的初始分布对最终产品的影响 料的CⅥ工艺周期长,成本高,各种工艺参数如温度、 McAllister用随机孔隙模型,对丙烯等温CI制备 气体的浓度、压强、预制体的结构等对该工艺过程的影炭基复合材料进行了模拟计算。Star,1应用“结点 响极为复杂,这些都给该工艺的研究和探索带来了很通道模型”对纤维布叠层预制体进行了模拟计算。 大的难甄计算机模拟研究可以避免大量的尝试性 gupte、Taip0等将预制体理想化为含有非交叉的326 材料工程／2006年增刊1 炭／炭复合材料热梯度CVI工艺中温度 场的数值模拟 Numerical Simulation of Temperature Field in Thermal Gradient CVI Process for Carbon／Carbon Composites 赵建国1’2，李克智1，李贺军1，翟言强1，王 闯1 (1西北工业大学材料学院，西安710072；2山西大同大学，山西大同037009) ZHAO Jian—gu01'2，LI Ke-zhil，LI He—j unl， ZHAI Yan—qian91。WANG Chuan91(1 School of Materials Science，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China；2 Shanxi Datong Univer'sity，Datong 037009，Shanxi，China) 摘要：阐明了用于制备炭／炭复合材料的热梯度化学气相沉积工艺过程和原理，测定了沉积过程中预成型体内不同位置 的温度。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。 关键词：炭／炭复合材料；热梯度化学气相沉积}温度场}数值模拟 中圈分类号：TB332 文献标识码：A 文章编号：1001—4381(2006)Suppl一0326—03 Abstract：It was illuminated the principle and advantage of thermal gradient chemical vapor infiltration (CVI)technology for preparation of carbon／carbon composites．The temperature gradient in preforms was measured and the plot of temperature gradient via position was presented and discussed．The sim— plifying 2D axial symmetric geometry model and the energy transport balance equations including heat conduction，convection and radiation were built，respectively．The simulation by the finite element method aimed to describe the temperature field of the thermal gradient CVI processes for carbon／car— bon composites had been performed．The simulated temperature fields were compared with the experi— mental measure values． Key words：carbon／carbon composites；thermal gradient chemical vapor infiltration；temperature field； numerical simulation 炭／炭复合材料综合了炭材料的高温性能和复合 材料优异的力学性能。它的主要性能特点有：耐烧蚀、 耐腐蚀、耐核辐射、化学惰性、高导电性、高导热性、低 热膨胀系数、摩擦系数稳定、高温下强度和刚度高以及 良好的生物相容性等。到目前为止炭／炭复合材料已 成功地应用于导弹的再人头锥，固体火箭发动机喷管， 航天飞机结构件，民用飞机、军用飞机、高级轿车、重型 汽车、高速列车、赛车的刹车盘，以及人工骨骼、关节、 心脏瓣膜、牙齿等生物材料等[1_3]。但是炭／炭复合材 料的CVI工艺周期长，成本高，各种工艺参数如温度、 气体的浓度、压强、预制体的结构等对该工艺过程的影 响极为复杂，这些都给该工艺的研究和探索带来了很 大的困难。而计算机模拟研究可以避免大量的尝试性 实验，对节省人力、物力、财力以及将CVI工艺扩展到 大型、复杂制件的制备等具有重要的意义。通过建立 数学模型对CVI工艺过程进行数值模拟，深化对CVI 工艺及其关键参数的理解，优化CVI工艺，缩短生产 周期，提高材料的性能，是一条极为可行的途径。国内 外学者在这些方面作了大量的研究工作，其中Mcal— lister和Wolf[4]提出了多个预制体同时增密的CVI数 学模型。MiddlemanE阳模拟了多孔预制体的等温CVI 过程，分析了孔隙率的初始分布对最终产品的影响。 McAllister[63用随机孔隙模型，对丙烯等温CVI制备 炭基复合材料进行了模拟计算。Starr[7’8]应用“结点一 通道模型”对纤维布叠层预制体进行了模拟计算。 万方数据 GupteE 9|、Taicl03等将预制体理想化为含有非交叉的圆