碳化硅陶瓷基复合材料ICVI过程的计算机模拟研究

论文摘要

连续纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料（CMC-SiC）不但具有耐高温、低密度、高比模、高比强、抗氧化和抗烧蚀等SiC材料的优异性能，而且克服了陶瓷材料脆性大和可靠性差的致命弱点，在航空航天和国防领域有着巨大的应用潜力，受到发达国家的高度重视。等温化学气相渗透法（ICVI法）是目前制备CMC-SiC广泛采用并且已经商业化的方法。在已有实验研究的基础上，建立合理的数学模型并利用数值计算方法对ICVI过程进行数值模拟，不但有助于深化理解ICVI工艺过程，而且可以缩短工艺参数优化的周期，因而对ICVI工艺过程的研究具有十分重要的指导意义。本文通过建立数学模型，应用数值解法，利用计算机对CMC-SiC的ICVI过程进行了数值模拟和分析。主要研究内容和结果如下：1．根据ICVI工艺的特点，利用传质学和化学反应动力学的基本理论，建立了未耦合反应器的ICVI过程数学模型，并以某小型固体火箭发动机用喉衬为研究对象，运用有限单元法，实现了未耦合反应器的ICVI过程的数值模拟。模拟结果显示，在CMC-SiC的ICVI过程中，存在着三个典型的致密化阶段，即：（1）小孔渗透控制阶段，（2）混合控制阶段，（3）大孔渗透控制阶段。为了验证计算结果，进行了相应的对比实验。实验结果与计算结果呈现出相似的规律，表明本文所建立的数学模型可以合理地描述CMC-SiC的ICVI过程。2．综合运用流体力学、传热学、传质学以及化学反应动力学的基础理论，建立了耦合反应器的ICVI过程数学模型，用来表征ICVI过程中反应器和预制体内发生的物理及化学变化。以典型反应器和某小型固体火箭发动机用喉衬为研究对象，运用有限单元法对上述数学模型耦合求解，分析了ICVI过程中反应器和预制体中的流场、温度场、浓度场以及预制体的致密化行为。计算结果显示，耦合反应器的模型与未耦合反应器的模型所表征出来的致密化规律是相似的。3．通过定量计算，对耦合反应器的ICVI过程数学模型的各种简化条件进行了科学的分析，结果表明：（1）预制体内部的强制对流可以忽略；（2）用Navier-Stokes方程描述自由介质中的动量传递不宜采用；（3）器壁反应可以忽略；（4）反应器的扩张段可以忽略。4．利用本文所建立的数学模型，系统地研究了工艺条件（温度、压力和气体流量）、反应器尺寸（反应器直径和反应器入口直径等）、预制体结构（预制体的初始孔隙率和纤维束的大小）以及预制体在反应器中的放置位置等因素对ICVI过程的影响。计算结果显示：利用ICVI法制备CMC-SiC时，较为合理的工艺条件为：温度为900～1100℃，气体总压为5000～8000Pa，MTS流量为10～50 sccm。预制体的初始孔隙率越大，渗透结束时间越长，但渗透结束时预制体所具有的密度越高，渗透均匀性也越好；纤维束的丝数越大，尽管渗透结束时预制体的密度越高并且渗透均匀性也越好，但是渗透结束时间却大大延长。反应器的入口尺寸对CMC-SiC的致密化过程影响很小；对于本文所研究的小喉衬构件，最合适的反应器直径为90mm。对于本文所研究的预制体和反应器来说，合理的预制体放置位置为0.05m到0.24m之间。5．将本文所建立的数学模型应用于晶须及颗粒增韧CMC-SiC的ICVI过程中，并对SiC晶须预制体进行了结构优化。计算结果显示，合理的SiC晶须团的直径应在0.3mm至0.5mm之间，渗透结束时复合材料可以得到较高的密度，并且渗透结束时间也不至于太长且渗透均匀性也较好。6．利用本文所建立的数学模型，实现了ICVI过程中多个预制体同时致密化的数值模拟，并研究了反应器中预制体的容积率对ICVI过程的影响。计算结果显示，对于本文所研究的反应器和预制体来说，预制体的容积率不宜大于11.25％，即预制体的个数不宜多于5个。7．应用上述数学模型，系统的分析了ICVI过程中，反应器中分别放置全尺寸喷管、大尺寸头锥、大尺寸冲压喷管及大尺寸喷管延伸段等大型复杂构件时的气体传递现象，并对这些典型构件的流场及浓度场进行了优化。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 论文的主要创新与贡献
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 碳化硅陶瓷基复合材料的应用
• 1.3 碳化硅陶瓷基复合材料的主要制备方法
• 1.3.1 热压烧结法
• 1.3.2 反应熔体浸渗法
• 1.3.3 先驱体浸渗热解法
• 1.3.4 化学气相渗透法
• 1.3.4.1 等温CVI
• 1.3.4.2 热梯度CVI
• 1.3.4.3 等温强制对流CVI
• 1.3.4.4 热梯度强制对流CVI
• 1.3.4.5 脉冲CVI
• 1.4 ICVI工艺数值模拟的现状
• 1.4.1 孔隙演变模型
• 1.4.2 耦合反应器的数值模拟
• 1.4.3 本实验室的前期相关工作
• 1.5 本文的选题依据及研究目标
• 1.6 本文的主要研究内容
• 参考文献
• 第二章 未耦合反应器的ICVI过程数学模型
• 2.1 引言
• 2.2 数学模型的建立
• 2.2.1 传质连续方程
• 2.2.2 孔隙率的变化方程
• 2.2.3 边界条件和初始条件
• 2.3 参数的确定
• 2.3.1 反应速率常数
• 2.3.2 气体扩散系数
• 2.3.3 预制体参数
• 2.3.3.1 初始孔隙率
• 2.3.3.2 有效渗透面积
• 2.4 数值求解过程
• 2.4.1 有限元方程的建立
• 2.4.2 剖分单元及形状函数
• 2.4.3 网格剖分
• 2.4.4 计算流程
• 2.5 模拟结果与分析
• 2.5.1 浓度场分析
• 2.5.2 SiC基体渗透速率
• 2.5.3 致密化行为
• 2.5.4 计算结果与实验结果的比较
• 2.6 本章小节
• 参考文献
• 第三章 耦合反应器的ICVI过程数学模型
• 3.1 引言
• 3.2 ICVI反应器的描述
• 3.3 数学模型的建立
• 3.3.1 假设条件
• 3.3.2 控制方程
• 3.3.2.1 气体传递方程
• 3.3.2.1.1 动量传递
• 3.3.2.1.2 能量传递
• 3.3.2.1.3 质量传递
• 3.3.2.2 孔隙率的变化方程
• 3.3.3 边界条件和初始条件
• 3.3.3.1 动量传递方程的边界条件
• 3.3.3.2 能量传递方程的边界条件
• 3.3.3.3 传质方程的边界条件
• 3.3.3.4 初始条件
• 3.4 模型参数的确定
• 3.4.1 气体粘度
• 3.4.2 气体比热容
• 3.4.3 气体导热系数
• 3.4.4 气体密度
• 3.5 计算结果与讨论
• 3.5.1 温度场分析
• 3.5.2 流场分析
• 3.5.3 浓度场分析
• 3.5.4 致密化行为分析
• 3.6 模型的简化
• 3.6.1 预制体内部强制对流的简化
• 3.6.1.1 模型描述
• 3.6.1.2 计算结果及讨论
• 3.6.2 动量守恒定律的简化
• 3.6.2.1 模型描述
• 3.6.2.2 计算结果及讨论
• 3.6.3 器壁反应的影响
• 3.6.3.1 模型描述
• 3.6.3.2 计算结果与讨论
• 3.6.4 反应器构造的简化
• 3.6.4.1 模型描述
• 3.6.4.2 计算结果及讨论
• 3.7 本章小节
• 参考文献
• 第四章 工艺参数对ICVI过程的影响
• 4.1 引言
• 4.2 温度对ICVI过程的影响
• 4.3 压力对ICVI过程的影响
• 4.3 气体流量对ICVI过程的影响
• 4.3.1 浓度场分析
• 4.3.2 致密化过程分析
• 4.4 本章小节
• 参考文献
• 第五章 预制体结构对ICVI过程的影响
• 5.1 引言
• 5.2 纤维预制体结构对ICVI过程的影响
• 5.2.1 初始孔隙率对ICVI过程的影响
• 5.2.1.1 MTS浓度分析
• 5.2.1.2 致密化过程分析
• 5.2.2 纤维束的丝数对ICVI过程的影响
• 5.2.2.1 致密化过程分析
• 5.3 SiC晶须预制体的微结构优化
• 5.3.1 SiC晶须团ICVI过程的数值模拟
• 5.3.1.1 MTS浓度分析
• 5.3.1.2 致密化过程分析
• W/SiC构件ICVI过程的数值模拟'>5.3.2 SiC_W/SiC构件ICVI过程的数值模拟
• 5.3.2.1 MTS浓度分析
• 5.3.2.2 致密化过程分析
• 5.4 纤维、晶须及颗粒预制体ICVI过程的比较
• 5.5 本章小节
• 参考文献
• 第六章 反应器结构及预制体的放置位置对ICVI过程的影响
• 6.1 引言
• 6.2 反应器结构对ICVI过程的影响
• 6.2.1 反应器入口尺寸的影响
• 6.2.2 反应器直径的影响
• 6.2.2.1 流场分析
• 6.2.2.2 浓度场分析
• 6.2.2.3 致密化行为分析
• 6.3 预制体的放置位置对ICVI过程的影响
• 6.3.1 浓度场分析
• 6.3.2 致密化过程分析
• 6.4 本章小节
• 参考文献
• 第七章 多个预制体同时致密化的数值模拟
• 7.1 引言
• 7.2 多个预制体同时致密化
• 7.2.1 三个预制体同时致密化
• 7.2.1.1 气体传递现象分析
• 7.2.1.2 致密化过程分析
• 7.2.2 七个预制体同时致密化
• 7.2.2.1 气体传递现象分析
• 7.2.1.2 致密化过程分析
• 7.3 容积率对ICVI过程的影响
• 7.3.1 气体传递现象分析
• 7.3.2 致密化过程分析
• 7.4 本章小节
• 参考文献
• 第八章 复杂构件在ICVI过程中的气体传递现象分析
• 8.1 引言
• 8.2 全尺寸喷管在ICVI过程中的气体传递分析
• 8.3 大尺寸构件在ICVI过程中的气体传递分析
• 8.3.1 喷管延伸段在ICVI过程中的气体传递分析
• 8.3.2 冲压喷管在ICVI过程的气体传递分析
• 8.3.3 头锥在ICVI过程中的气体传递分析
• 8.4 头锥在ICVI过程中的气体传递优化
• 8.4.1 头锥顶端打洞
• 8.4.2 加入导流板
• 8.4.2.1 加入简单导流板
• 8.4.2.2 加入复杂导流板
• 8.5 本章小节
• 参考文献
• 第九章 结论
• 附录1 图像分割在碳化硅陶瓷基复合材料中的应用
• A.1 引言
• A.2 试验
• A.2.1 试样制备
• A.2.2 扫描电镜观测
• A.3 孔隙率分布的确定
• A.4 结果与讨论
• 参考文献
• 附录2 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 致谢