C/C复合材料CVI过程模拟仿真

论文摘要

C/C复合材料已经成为21世纪最重要的材料之一，目前在航空领域得到了广泛的应用。C/C复合材料的制备工艺主要是化学气相沉积（CVI）工艺。CVI工艺涉及到的物理化学过程非常复杂，这使得在实际生产中很难控制CVI工艺过程。压力、温度、滞留时间、尺寸等工艺参数都对CVI过程有着非常重要的影响，直接关系到C/C复合材料的物理性能和力学性能。由于CVI过程沉积时间很长（高达数百小时），且最终得到的C/C复合材料性能不一，如此使得CVI的成本大幅增加，产品质量也难以得到保证。计算机数值模拟近几十年来在各门学科中得到了广泛的应用。使用计算机数值模拟来仿真C/C复合材料的CVI过程可以为CVI工艺提供深层次的机理分析，进而优化工艺参数。本文对C/C复合材料CVI工艺过程进行了分析研究，将CVI过程分解为气体流动、气相反应、表面反应、传热等过程，并分别进行数学建模，使用有限差分方法在三维空间中的网格中进行离散，再通过相应的数值算法求解，得到离散网格中的数值离散解，然后使用相应的插值算法就可以得到整个预制体内部的连续解（包括各气体组分浓度、密度、孔隙率等物理场分布）。本文使用等温CVI（ICVI）实际生产工艺中的工艺参数进行模拟计算，得到沉积过程中四个周期时刻预制体内部各气体组分的浓度、密度及孔隙率分布。模拟的结果与实验数据和CT扫描曲线吻合良好，验证所建模型的可靠性。同时本文还对热梯度CVI（TCVI）工艺过程进行了数值模拟，得到预制体内部四个周期时刻预制体内部温度、各气体组分的浓度、密度分布及孔隙率分布。通过理论分析对结果进行验证，得到所建模型的可靠性。本文程序的开发基于Microsoft Windows XP系统，以Visual Studio2005为开发平台，使用C/C++编程语言。同时使用OpenMP和Intel C++对该程序进行并行设计，以提高程序运行效率和计算机资源的利用率。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景与意义
• 1.2 CVI 过程仿真研究现状
• 1.3 主要研究内容与目标
• 2 CVI 过程中的气体流动模拟
• 2.1 气体流动模型
• 2.2 数值求解
• 2.3 数值算例
• 2.4 小结
• 3 CVI 过程中的温度场模拟
• 3.1 预制体内温度场模型
• 3.2 数值求解
• 3.3 数值算例
• 3.4 小结
• 4 CVI 化学反应动力学
• 4.1 CVI 化学动力学简述
• 4.2 CVI 化学反应动力学
• 4.3 整体模型
• 4.4 小结
• 5 结果与分析
• 5.1 等温 CVI 过程模拟仿真
• 5.2 热梯度 CVI 过程模拟仿真
• 5.3 小结
• 6 全文总结及展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 1 攻读学位期间发表论文