第42卷第3期 西安交通大学学报 VoL 42 N3 2008年3月 JOURNAL OF XIAN JIAO TON G UNIVERSITY Mar.2008 化学液相沉积法制备碳碳复合材料时的温度场研究 潘仡文,杨冬,刘红林2 (1.西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,710049,西安;2.中国航天科技集团公司4院43所,710025,西安) 摘要:根据制备过程中碳纤维骨架内煤油发生相变时的气液两相流动与传热传质、预制体对煤油 的导热以及碳纤维多孔介质内的传热传质性质,建立了描述碳纤维骨架内温度场分布与相变特性 的数学模型对采用感应加热方式、直径为70mm的预制体在汽化温度为453.15K时的制备过程 进行了数值研究,得到了骨架内温度场随时间的变化给出了不同时刻的温度场分布、径向温度随 时间的变化规律,以及相变过程含气率沿径向的分布将计算所得的电加热功率与制备过程中实际 的电加热功率进行了比较,二者较为接近,验证了所建数学模型的可靠性 关键词:化学液相沉积法;碳/碳复合材料;温度场 中图分类号:TQ028文献标志码:A文章编号:0253-87X(2008)03-0309404 Research on Te mperature Field of Kerosene when Preparing Carbon/ Carbon Composites by Chemical Liquid Deposition PAN Yiwen', YANG Dong, LIU Honglin (1. State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering, Xi'an Jiaotong University, X'an 710049, China 2. The 43rd Institute of the 4th Academy of CASE, Xi'an 710025, China) Abstract: A model of temperature field and phase change in the car bon fiber preform was estab- lished based on heat and mass transfer of gas and fluid phases flow, heat conduction between the preform and kerosene, and heat and mass transfer in the car bon fiber perform. A numerical ir vestigation on preparation at the vaporization temperat ure 453. 15 K for the preform with a diame- ter of 70 mm using induction heating was performed. The change of the temperature field with time in the preform was obtained. The temperature distribution at different time, the variation of radical temperat ure with time, and vapor rates along the radical direction in the phase change process were indicated. The computing results are in agreement with the data of the act ual power nput of electric heating Key words: chemical liquid deposition; carbon/car bon composites; temperature field 碳/碳复合材料广泛应用于航空、航天、生物及层高出50~100倍,从而预制体的致密化速度比气 多种民用领域目前,制备碳/碳复合材料的方法大相沉积法也高出50~100倍,大大缩短了制备时间, 体分为气相法和液相法两大类.气相法主要有化学降低了制备成本 气相沉积(CVD)和化学气相渗透(CVI).气相法出 基于上述优点,本文对碳纤维预制体骨架浸在 现较早,无论是在实验还是数值模拟方面都较为成煤油中发生池沸腾换热时的骨架温度场进行了数值 熟.化学液相沉积法是在液态碳氢化合物中进行计算,计算时考虑了气液两相间的传热与传质以及 的,在预制体的周围不断形成高密度的液气相包裹相变的产生 层,这种包裹层的密度比传统气相沉积法的纯气相 收稿日期:2007咱6-18.作者简介:潘仡文(1982-),男,硕士生;杨冬(联系人),男,副教授.基金项目:国家科技支撑 计划资助项目(2006BAAO3B0203 201994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net第 42 卷 第 3 期 2008 年 3 月 西 安 交 通 大 学 学 报 J OU RNAL OF XI′AN J IAO TON G UNIV ERSIT Y Vol. 42 №3 Mar. 2008 化学液相沉积法制备碳/ 碳复合材料时的温度场研究 潘仡文1 , 杨冬1 , 刘红林2 (1. 西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室 , 710049 , 西安 ;2. 中国航天科技集团公司 4 院 43 所 , 710025 , 西安) 摘要 : 根据制备过程中碳纤维骨架内煤油发生相变时的气液两相流动与传热传质、预制体对煤油 的导热以及碳纤维多孔介质内的传热传质性质 ,建立了描述碳纤维骨架内温度场分布与相变特性 的数学模型. 对采用感应加热方式、直径为 70 mm 的预制体在汽化温度为 453115 K时的制备过程 进行了数值研究 ,得到了骨架内温度场随时间的变化. 给出了不同时刻的温度场分布、径向温度随 时间的变化规律 ,以及相变过程含气率沿径向的分布. 将计算所得的电加热功率与制备过程中实际 的电加热功率进行了比较 ,二者较为接近 ,验证了所建数学模型的可靠性. 关键词 : 化学液相沉积法 ;碳/ 碳复合材料 ;温度场 中图分类号 : TQ 028 文献标志码 : A 文章编号 : 0253Ο987X(2008) 03Ο0309Ο04 Research on Temperature Field of Kerosene when Preparing Carbon/ Carbon Composites by Chemical Liquid Deposition PAN Yiwen 1 , YAN G Dong 1 , L IU Honglin 2 (1. State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering , Xi′an Jiaotong University , Xi′an 710049 , China ; 2. The 43rd Instit ute of t he 4t h Academy of CASE , Xi′an 710025 , China) Abstract : A model of temperat ure field and p hase change in t he carbon fiber preform was estab2 lished based on heat and mass transfer of gas and fluid p hases flow , heat conduction between t he preform and kerosene , and heat and mass transfer in t he carbon fiber perform. A numerical in2 vestigation on p reparation at t he vaporization temperature 453115 K for the p reform wit h a diame2 ter of 70 mm using induction heating was performed. The change of t he temperat ure field wit h time in t he preform was obtained. The temperat ure distribution at different time , t he variation of radical temperat ure wit h time , and vapor rates along the radical direction in t he p hase change process were indicated. The comp uting results are in agreement wit h t he data of the actual power inp ut of electric heating. Keywords: chemical liquid deposition ; carbon/ carbon composites; temperature field 碳/ 碳复合材料广泛应用于航空、航天、生物及 多种民用领域. 目前 ,制备碳/ 碳复合材料的方法大 体分为气相法和液相法两大类. 气相法主要有化学 气相沉积(CVD) 和化学气相渗透 (CVI) . 气相法出 现较早 ,无论是在实验还是数值模拟方面都较为成 熟[1Ο4 ] . 化学液相沉积法是在液态碳氢化合物中进行 的 ,在预制体的周围不断形成高密度的液Ο气相包裹 层 ,这种包裹层的密度比传统气相沉积法的纯气相 层高出 50～100 倍 ,从而预制体的致密化速度比气 相沉积法也高出 50～100 倍 ,大大缩短了制备时间 , 降低了制备成本. 基于上述优点 ,本文对碳纤维预制体骨架浸在 煤油中发生池沸腾换热时的骨架温度场进行了数值 计算 ,计算时考虑了气液两相间的传热与传质以及 相变的产生. 收稿日期 : 2007Ο06Ο18. 作者简介 : 潘仡文(1982 - ) ,男 ,硕士生 ;杨冬(联系人) ,男 ,副教授. 基金项目 : 国家科技支撑 计划资助项目(2006BAA03B02Ο03)