碳化硅陶瓷基復(fù)合材料ICVI過程的計算機模擬研究.pdf

1、連續(xù)纖維增韌碳化硅陶瓷基復(fù)合材料(CMC-SiC)不但具有耐高溫、低密度、高比模、高比強、抗氧化和抗燒蝕等SiC材料的優(yōu)異性能，而且克服了陶瓷材料脆性大和可靠性差的致命弱點，在航空航天和國防領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力，受到發(fā)達國家的高度重視。等溫化學(xué)氣相滲透法(ICVI法)是目前制備CMC-SiC廣泛采用并且已經(jīng)商業(yè)化的方法。在已有實驗研究的基礎(chǔ)上，建立合理的數(shù)學(xué)模型并利用數(shù)值計算方法對ICVI過程進行數(shù)值模擬，不但有助于深化理解ICVI工

2、藝過程，而且可以縮短工藝參數(shù)優(yōu)化的周期，因而對ICVI工藝過程的研究具有十分重要的指導(dǎo)意義。本文通過建立數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用數(shù)值解法，利用計算機對CMC-SiC的ICVI過程進行了數(shù)值模擬和分析。主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下： 1．根據(jù)ICVI工藝的特點，利用傳質(zhì)學(xué)和化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)的基本理論，建立了未耦合反應(yīng)器的ICVI過程數(shù)學(xué)模型，并以某小型固體火箭發(fā)動機用喉襯為研究對象，運用有限單元法，實現(xiàn)了未耦合反應(yīng)器的ICVI過程的數(shù)值模擬。模擬結(jié)

3、果顯示，在CMC-SiC的ICVI過程中，存在著三個典型的致密化階段，即：(1)小孔滲透控制階段，(2)混合控制階段，(3)大孔滲透控制階段。為了驗證計算結(jié)果，進行了相應(yīng)的對比實驗。實驗結(jié)果與計算結(jié)果呈現(xiàn)出相似的規(guī)律，表明本文所建立的數(shù)學(xué)模型可以合理地描述CMC-SiC的ICVI過程。 2．綜合運用流體力學(xué)、傳熱學(xué)、傳質(zhì)學(xué)以及化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)的基礎(chǔ)理論，建立了耦合反應(yīng)器的ICVI過程數(shù)學(xué)模型，用來表征ICVI過程中反應(yīng)器和預(yù)制體內(nèi)

4、發(fā)生的物理及化學(xué)變化。以典型反應(yīng)器和某小型固體火箭發(fā)動機用喉襯為研究對象，運用有限單元法對上述數(shù)學(xué)模型耦合求解，分析了ICVI過程中反應(yīng)器和預(yù)制體中的流場、溫度場、濃度場以及預(yù)制體的致密化行為，計算結(jié)果顯示，耦合反應(yīng)器的模型與未耦合反應(yīng)器的模型所表征出來的致密化規(guī)律是相似的。 3．通過定量計算，對耦合反應(yīng)器的ICVI過程數(shù)學(xué)模型的各種簡化條件進行了科學(xué)的分析，結(jié)果表明：(1)預(yù)制體內(nèi)部的強制對流可以忽略；(2)用Navier-S

5、tokes方程描述自由介質(zhì)中的動量傳遞不宜采用；(3)器壁反應(yīng)可以忽略；(4)反應(yīng)器的擴張段可以忽略。 4．利用本文所建立的數(shù)學(xué)模型，系統(tǒng)地研究了工藝條件(溫度、壓力和氣體流量)、反應(yīng)器尺寸(反應(yīng)器直徑和反應(yīng)器入口直徑等)、預(yù)制體結(jié)構(gòu)(預(yù)制體的初始孔隙率和纖維束的大小)以及預(yù)制體在反應(yīng)器中的放置位置等因素對ICVI過程的影響。計算結(jié)果顯示：利用ICVI法制備CMC-SiC時，較為合理的工藝條件為：溫度為900～1100℃，氣體總

6、壓為5000～8000Pa，MTS流量為 10～50 sccm。預(yù)制體的初始孔隙率越大，滲透結(jié)束時間越長，但滲透結(jié)束時預(yù)制體所具有的密度越高，滲透均勻性也越好；纖維束的絲數(shù)越大，盡管滲透結(jié)束時預(yù)制體的密度越高并且滲透均勻性也越好，但是滲透結(jié)束時間卻大大延長。反應(yīng)器的入口尺寸對CMC-SiC的致密化過程影響很??；對于本文所研究的小喉襯構(gòu)件，最合適的反應(yīng)器直徑為90mm。對于本文所研究的預(yù)制體和反應(yīng)器來說，合理的預(yù)制體放置位置為0.05m

7、到0.24m之間。 5．將本文所建立的數(shù)學(xué)模型應(yīng)用于晶須及顆粒增韌CMC-SiC的ICVI過程中，并對SiC晶須預(yù)制體進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。計算結(jié)果顯示，合理的SiC晶須團的直徑應(yīng)在0.3mm至0.5mm之間，滲透結(jié)束時復(fù)合材料可以得到較高的密度，并且滲透結(jié)束時間也不至于太長且滲透均勻性也較好。 6．利用本文所建立的數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)了ICVI過程中多個預(yù)制體同時致密化的數(shù)值模擬，并研究了反應(yīng)器中預(yù)制體的容積率對ICVI過程的影響