化学液相沉积法制备碳_碳复合材料时的温度场研究

第42卷　第3期西　安　交　通　大　学　学　报

　　　

2008年3月J OU RNAL O F XI ′AN J IAO TON G UN IV ERSIT Y

Vol. 42　№3Mar. 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, 西安所, 710025, 西安)

摘要:、预制体对煤油, 的数学模型. 的预制体在汽化温度为453115K 时的制备过程. 给出了不同时刻的温度场分布、径向温度随, . 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

R esearch on T emperature Field of K erosene when Preparing C arbon/C arbon

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 p reform was estab 2lished based on heat and mass t ransfer of gas and fluid p hases flow , heat conduction between t he preform and kerosene , and heat and mass t ransfer in t he carbon fiber perform. A numerical in 2vestigation on p reparation at t he vaporization temperat ure 453115K for t he p reform wit h a diame 2ter of 70mm using induction heating was performed. The change of t he temperat ure field wit h time in t he p reform was obtained. The temperat ure distribution at different time , t he variation of radical temperat ure wit h time , and vapor rates along t he radical direction in t he p hase change process were indicated. The comp uting result s are in agreement wit h t he data of t he act ual power inp ut of elect ric heating.

K eyw ords :chemical liquid deposition ; carbon/carbon compo sites ; temperat ure 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(CV I ) . 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) .

310西　安　交　通　大　学　学　报　　　　　　　　　　　　　　　　　　第42卷　

1　数学模型

图1所示为化学液相沉积法(CLD ) 制备碳/碳复合材料的示意图, 石墨棒被交变磁场的磁力线所

切割, 产生涡流, 涡流回路使石墨棒发热, 从而加热预制体. 采用液态煤油作为前躯体, 将碳纤维预制体浸泡其中, 在高温作用下含碳前躯体分解, 裂解产物中的氢离开体系而碳沉积于预制件上. 随着反应进行, 整个预制体最终达到预期的致密程度. , 较为恒定的高温, 始致密化, . 由于热梯度的原因, (芯部) 沉积, 沉积带逐渐由内向外推进, 直至预制体内外热梯度消失, 整个预制体达到致密化.

本文在计算中作了如下假设.

(1) 因为预制体紧密包裹着加热棒, 接触热阻可以忽略, 从而近似认为模型中与石墨加热棒接触的表面具有和石墨加热棒相同的温度.

(2) 边界上的换热为池沸腾换热.

(3) 预制体的孔隙率不在模型中体现, 而是在后面的计算中考虑进去.

(4) 煤油的热裂解是一个极为复杂的化学反应过程, 且煤油裂解时消耗的反应热与整个研究体系所消耗的总热量相比可以忽略不计, 故在计算过程中忽略了煤油裂解时消耗的反应热

.

, 并且假

. 实际问题中液相煤油与气相煤油为互相贯通的连续体, 与混合模型吻合较好, 因此选择混合模型来模拟气液两相问题.

对于混合模型, 其连续方程为

(ρ) ・

ρ+ ・(m m v m ) =m

t

n

(1)

式中:v m =

n

k =1

-1

αρs ; k k v k /ρm 为质量平均速度, kg ・∑

ρm =

k =1

αρ为混合密度, kg ・m ∑

k

k

-3

; αk 为第k 相的浓

度; m 为气穴或质量源的质量传递, kg .

能量方程为

(αρk k E k ) + ・∑(αk v k (ρk E k +p ) ) =t k ∑=1k =1

・(k eff T ) +S E

式中:k eff 为有效热传导率, W ・m -2・K -1.

动量方程为

(ρ)

v m + ・(ρ p +ρm v m v m ) =-m g +F +t

・[μm ( v m + v ) ]+ T

m

n k =1

n

n

(2)

αρv v ∑

k

k

r

k

r

k

(3)

式中:n 为相数; F 为体积力, N ; μm 为混合黏性, kg ・(m ・s ) -1; v r k 为第k 相(k =2) 的飘移速度m ・s -1; p 为体系所受压强, Pa ; g 为重力加速度,

图1　碳/碳复合材料制备示意图

m ・s -2.

11112　多孔介质控制方程　求解计算软件中有特

基于上述假设与实际情况, 建立了用于数值模拟的模型, 大圆柱中间的空心小圆柱为石墨加热棒, 大圆柱为预制体骨架, 大圆柱外围被液体煤油所包裹. 对模型进行网格划分, 划分示意图如图2所示, 每个网格是一个计算单元. 模型划分采用结构化网格, 网格为三维的六面体网格, 网格数为41800. 111　控制方程组

1. 1. 1　两相流方程　

混合模型是一种简化的多相

为本文研究设计的多孔介质模型, 其动量方程是在式(1) 的基础上加上一个动量源项

3

3

S i =-

j =1

∑

νj

+D ij μ

j =1

∑

C ij

ννmag j

2

(4)

式中:第1项为黏性损失项; 第2项为惯性损失项;

S i 是第i 个(x 、y 或z 方向) 动量方程中的源项; D ij

是以1/α为对角单元的对角矩阵, α为描述多孔介质渗透性的参数; C ij 是以C 2为对角单元的对角矩

　第3期　　　　　　　　　　　　　　潘仡文, 等:化学液相沉积法制备碳/碳复合材料时的温度场研究311

阵, C 2是惯性阻力因子. 　　能量方程为(γρ) ρ(ν(ρf E f +(1-γs E s ) + ・f E f +p ) ) =t

k eff T -h J ∑

i i

i

113　初始条件

τ・ν) +(

+S f

h

(5)

整个计算为非稳态过程, 操作压强为121159

kPa , 反应初始温度为室温. 石墨棒初始温度为室温, 用自定义函数控制其升温过程, 使其在之后的10min 内以指数规律上升到1273115K , 然后保持温度不变. 大圆柱的外侧面设置为压力出口, 上下端, . , , 孔, 终止时的孔隙率为10%.用自定义函数来控制相变过程以及孔隙率的变化.

ρ式中:f 为流体密度; ρs 为固体密度; p 为孔隙内的压强; τ为曲折因子; ν为流体速度; J i 为i 方向的摩尔通量密度; h i 为i 方向的溶解度系数; E f 为流体总能; E s 为固体介质总能; γ参数; S f h 为流体焓的源项. 112　边界条件

压力为011, 293115K 时的密度ρm -3. 在本计算研究的煤油20=81816・

温度和密度范围内, 煤油的密度随温度的变化呈线

ρ=ρ(t -20) , β为平均密度系数, β=性关系:20-β0176kg ・m -3・℃-1[5]. 本文计算中, 煤油在达到沸

2　计算结果与分析

所建模型的轴向长度为0115m , 径向长度为

0107m , 石墨棒的半径为01

03m. 通过计算发现, 随着时间的推移,

整个预制体骨架的温度场也随之发生变化. 选取4个比较有代表性的时间来显示整个骨架的温度分布, 如图3～图6所示.

点以后, 始终处于饱和状态. 压力为011M Pa 时, 其饱和温度为453115K , 液相密度ρ=697kg ・m -3.

煤油是多种化合物的复杂混合物, 计算煤油的平均相对分子质量的公式为

M =a +b t +c t

2

(6)

式中:系数a 、b 、c 与特性因子K 的关系见表1.

表1　参数a 、b 、c 与特性因子K 的关系

K a b

10. 05601230

[1**********]

[1**********]

[1**********]

[1**********]

c [***********][**************]40

　　K 是由平均沸点和相对密度所决定的, 取K =111362[6], 经插值计算得M =139106. 煤油的导热系数为

λ=011008(1-0100054) /d 204式中:d 20时煤油和水的密度之比. 计算得到4是20℃

煤油的导热系数为011231W ・(m ・K ) -1.

Cooper 提出的以相对压力为基础的换热系数

图3　50s 时骨架的温度分布

计算公式为[7]

0112-014343ln R p

(-014343ln p r ) -0155M -015q 0167h =55p r

(7)

式中:p r =p/p crit =112/3018=0103896, p crit 为液体

煤油的临界压力; M =139106; 加热面的表面粗糙度

R p =112×10

-6

图4　300s 时骨架的温度分布

从图5中可以看出, 反应进行到600s 时轴向温度分布不均匀, 因为反应中液相煤油汽化时会带走一部分热量, 同时形成气液两相流动. 气相煤油一部分被排走, 而一部分液相煤油补充进来, 形成回

; 热流密度q =1320179kW ・m

-2

.

根据式(7) 计算可得碳纤维表面沸腾换热系数h =706219W ・m -2・K -1.

312西　安　交　通　大　学　学　报　　　　　　　　　　　　　　　　　　第42卷　

图5

　600s 积的乘积, 计算得到的电加热功率为28191kW , 与实验中的实际电加热功率2910kW 相比, 误差较小, 表现出较好的一致性.

3　结　论

(1) 通过模拟计算, 得到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. 从径向温度随时间的变化规律可以看出, 随着反应的进行, 形成了内高外低的温度梯度. 研究结果为优化工艺过程、改善产品质量、降低生产成本提供了一定的参考价值.

(2) 根据以上所得的计算结果, 不难看出由于和加热棒比较接近的内层温度高, 故内层的煤油首先由液相转变为气相, 然后发生裂解反应, 生成的碳沉积下来. 沉积过程由里向外进行, 最终生成致密而结实的碳/碳复合材料. 参考文献:

[1]　侯向辉, 李贺军, 李克智, 等. CV I 制备碳/碳复合材料

图6　900s 时骨架的温度分布

流. 另外3个时刻的回流不明显, 汽化所带走的热量

很少, 故轴向温度分布较图5所显示的时刻均匀. 4个时刻沿着半径方向的温度分布如图7所示, 气相体积分数φg 的分布如图8所示.

在内热源的作用下, 整个预制体的温度从里向外逐渐降低, 形成了一个内高外低的温度梯度. 石墨棒升温至1273115K 后保持温度不变, 成为一个恒温内热源. 在其作用下, 温度梯度逐渐减小. 同时, 处于沸腾状态的液相煤油逐渐发生相变, 由于温度梯度的作用, 会得到如图8所示的预制体的气相体积分数的分布情况. 可以明显看出, 在反应进行到

900s 时, 预制体内的液相煤油已基本转化为气相煤油.

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图7　不同时刻沿径向的温度分布

(下转第384页)

384西　安　交　通　大　学　学　报　　　　　　　　　　　　　　　　　　第42卷　

参考文献:

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(编辑　荆树蓉　赵大良)

(上接第312页)

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(编辑　荆树蓉　赵大良)