【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及复合材料，尤其是涉及一种梯度织物高效致密化反应器与成型工艺筛选方法。
技术介绍
1、新一代的高超声速飞行器面临着更加复杂的气动、热力环境，对材料的力学性能、热学性能以及轻量化提出了更严苛的要求，这要求复合材料结构向着防热-承载-轻量一体化的设计目标迈进。碳/碳复合材料因力学性能稳定、抗烧蚀性能优异、高温性能良好等特性，广泛应用于航空、航天、机械制造等领域。化学气相沉积的方法因工艺简单、碳基体缺陷小、致密化程度相对易于控制等特点已成为最主要的碳/碳复合材料制备方式之一。对于常规的恒密度的预制体碳/碳复合材料，一方面，其功能较为单一。面对轻量化的结构设计目标，尚有较大的设计冗余，对于航天复合材料的功能高度精确化这一点特点来说，存在较大的提升空间。另一方面，常规的恒密度预制体，因在使用化学气相沉积的过程中容易出现表面孔隙堵塞、结壳，后期致密化效率低下等问题，这严重影响碳/碳复合材料的制备效率、结构的成型品质和产品性能。
2、采用类似于夹层结构的“中间层初始纤维体积分数小、上下表层初始纤维体积分数大”的梯度织物预制体，制备碳/碳薄壁热结构，所制备的碳/碳热结构，上下两层的密度大，致密化效果较好，可以满足基本的热学、力学性能；中间层是密度较小的夹层结构，可以满足轻量化的要求。这样的结构设计，不但可以使材料的功能具有高度的目标性，以满足防热-承载-轻量一体化的要求，而且可以解决常规恒密度预制体化学气相沉积工艺制备过程中出现的问题。
3、目前，采用化学气相沉积工艺制备碳/碳复合材料时，所采用的工艺多采用“
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种梯度织物高效致密化反应器与成型工艺筛选方法，提高了梯度织物结构碳/碳复合材料的生产效率和产品质量，显著降低了新材料的研发周期与研发成本，推动了新型碳/碳复合材料产业的发展。
2、为实现上述目的，本专利技术提供了一种梯度织物高效致密化反应器与成型工艺筛选方法，包括以下步骤：
3、s1、建立梯度织物结构致密化过程的理论与仿真模型；
4、s2、提出梯度织物结构致密化水平的定量化表征参量；
5、s3、给出梯度织物不同区域的成型工艺参数方案；
6、s4、利用步骤s1得到的理论与仿真模型计算步骤s3中不同区域的成型工艺参数方案的致密化水平，完成可高效致密化梯度织物的成型工艺方案的筛选。
7、优选的，在步骤s1中，梯度织物结构致密化过程的理论与仿真模型包括：
8、反应器内不同区域的化学反应动力学模型的建立包括化学气相渗透工艺成型过程中反应器内无预制体区域的均相反应和预制体上不同区域的非均相反应；
9、反应器内不同区域的气体流动模型的建立包括无预制体区域的气体流动机制和有预制体部分不同区域的多孔介质气体流动机制；
10、反应器内不同区域的气体扩散模型的建立包括无预制体区域的气体扩散机制和有预制体部分不同区域的多孔介质气体扩散机制。
11、优选的，在步骤s1中，反应器内无预制体的区域内的化学反应动力学模型属于均相反应模型，方程式如下：
12、2ch4→c2h4+2h2 (1)
13、c2h4→c2h2+h2 (2)
14、3c2h2→c6h6 (3)
15、c6h6→c>6 (4)；
16、反应器内有预制体的区域内的化学反应动力学模型属于非均相反应模型，方程式如下：
17、ch4→c+2h2 (5)
18、c2h4→2c+2h2 (6)
19、c2h2→2c+h2 (7)
20、c6h6→6c+3h2 (8)。
21、优选的，在步骤s1中，反应器内无预制体区域的气体流动机制的气体流动模型，用navier-stokes方程表述为；
22、
23、反应器内有预制体部分不同区域的多孔介质气体流动机制的气体流动模型表述为；
24、
25、其中
26、
27、
28、式中，ρ、u、p、μ、ε、q、κ、φ、dp、vrev、vfiber、i和t分别为混合气体密度、气体流速、气体压强、混合气体黏度系数、预制体孔隙率、气体的流量、多孔介质预制体的渗透系数、平均粒径、给定例子的球形度、预制件的体积、纤维的体积、方向张量和时间，t表示化学反应温度。
29、优选的，在步骤s1中，反应器内不同区域的气体扩散模型表达式如下：
30、
31、式中，下标i表示不同的气体组分，1表示ch4，2表示c2h4，3表示c2h2，4表示c6h6，5表示h2；
32、对应的化学反应项ri：r1＝-k1c1；r3＝k2c2-k3c3；r5＝k1c1+k2c2+k4c4；
33、式中，k1、k2、k3、k4、分别为化学反应方程(1)-(4)的化学反应速率；
34、沉积碳的化学反应项rc＝0；
35、比表面积随着孔隙率的演变规律表达式如下：
36、
37、式中，sv为比表面积；rf为碳纤维的半径；
38、反应器内无预制体区域内的扩散系数为：
39、
40、反应器内有预制体区域部分的扩散系数为：
41、
42、其中
43、
44、式中，ci、di、ri、mi、mn、σvi、σvn、dike、dik、rp和ηk分别表示限域反应器中气体浓度、扩散系数、化学反应项、相对分子质量、气体扩散体积、努森扩散有效扩散系数、努森扩散系数、多孔介质的等效粒子半径和扩散弯曲度；，t表示化学反应温度，r表示理想气体常数；
45、对应的化学反应项ri：
46、
47、r5＝k1c1+k2c2+k4c4+sv(2k5c1+2k6c2+k7c3+3k8c4)；
48、式中，k5、k6、k7、k8分别为化学反应方程(5)-(8)的化学反应速率；
49、沉积碳的化学反应项rc＝sv(k5c1+2k6c2+2k7c3+6k8c4)；
50、预制体致密化模型表达式如下：
51、
52、
53、式中，mc、ρc分别表示沉积碳的相对分子质量和沉积碳的密度。
54、优选的，步骤s2中，梯度织物结构致密化水平本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种梯度织物高效致密化的成型工艺筛选方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种梯度织物高效致密化的成型工艺筛选方法，其特征在于，在步骤S1中，梯度织物结构致密化过程的理论与仿真模型包括：
3.根据权利要求2所述的一种梯度织物高效致密化的成型工艺筛选方法，其特征在于，在步骤S1中，反应器内无预制体的区域内的化学反应动力学模型属于均相反应模型，方程式如下：
4.根据权利要求3所述的一种梯度织物高效致密化的成型工艺筛选方法，其特征在于，在步骤S1中，反应器内无预制体区域的气体流动机制的气体流动模型，用Navier-Stokes方程表述为；
5.根据权利要求4所述的一种梯度织物高效致密化的成型工艺筛选方法，其特征在于，在步骤S1中，反应器内不同区域的气体扩散模型表达式如下：
6.根据权利要求5所述的一种梯度织物高效致密化的成型工艺筛选方法，其特征在于，步骤S2中，梯度织物结构致密化水平的定量化表征参量，包括对于梯度织物结构高效致密化的效率和最终结构的均匀性进行量化表征：
7.根据权利要求6所述
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种适用于梯度织物高效致密化的成型工艺筛选方法的反应器，其特征在于，所述致密化成型的反应器包括致密外壳，所述致密外壳内部设置有第一隔板、第二隔板，所述第一隔板、第二隔板将致密外壳分成三部分，每一部分都设置有对应的进气口和出气口。
...【技术特征摘要】
1.一种梯度织物高效致密化的成型工艺筛选方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种梯度织物高效致密化的成型工艺筛选方法，其特征在于，在步骤s1中，梯度织物结构致密化过程的理论与仿真模型包括：
3.根据权利要求2所述的一种梯度织物高效致密化的成型工艺筛选方法，其特征在于，在步骤s1中，反应器内无预制体的区域内的化学反应动力学模型属于均相反应模型，方程式如下：
4.根据权利要求3所述的一种梯度织物高效致密化的成型工艺筛选方法，其特征在于，在步骤s1中，反应器内无预制体区域的气体流动机制的气体流动模型，用navier-stokes方程表述为；
5.根据权利要求4所述的一种梯度织物高效致密化的成型工艺筛选方法，其特征在于，在步骤s1中，反应器内不同区域的气体扩散模型表达式如下：
6.根据权...
【专利技术属性】
技术研发人员：李玮洁，杜东海，张中伟，郭立佳，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：
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