[發明專利]一種基于蒙特卡洛模擬碳/碳復合材料織構的方法

在審

• 申請號: 201510022415.3
• 申請日: 2015-01-16
• 公開（公告）號: CN104573370A
• 公開（公告）日: 2015-04-29
• 發明（設計）人: 劉柄林;馬驍;湯哲鵬;邵勤思;孫晉良;任慕蘇;李愛軍
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 顧勇華

技術領域

本本發明涉及一種碳/碳(C/C)復合材中料熱解碳織構形成機制的研究方法，特別是涉及了一種C/C復合材料熱解碳沉積工藝的預測方法，還涉及了一種基于Monte?Carlo隨機模擬研究分析的方法。該發明應用于建立了工藝參數數據庫和分析CVI工藝參數對熱解碳沉積過程影響的技術領域，對C/C復合材料工業生產有較好的技術指導意義。

背景技術

C/C復合材料即碳纖維增強碳基復合材料，是一種耐高溫高性能結構材料，具有高比強度、高比模量、耐磨以及良好的韌性，被廣泛應用于航空航天領域。按照制備工藝的不同，C/C?復合材料的碳基體可分為：瀝青碳、樹脂碳和熱解碳。其中以熱解碳為基體的C/C?復合材料綜合性能最佳。因在偏光顯微鏡的消光角的不同，C/C復合材料又分為高織構（HT）、中織構（MT）和低織構（LT），其中以高織構應用范圍最廣。

目前，CVI是制備熱解碳最普遍的工藝，采用氣相烴類為前驅氣體，經過復雜的氣相反應和表面沉積反應得到不同織構的熱解碳基體，這種方法制備的熱解碳基體微觀結構變化大，存在許多內部亞界面，直接影響到材料宏觀力學性能。長期以來人們一直希望能通過控制CVI?工藝參數來控制沉積的熱解碳基體的微觀結構，得到滿足不同服役條件的C/C復合材料。因此探索C/C復合材料中熱解碳基體微觀結構界面的形成機制，將有助于深入理解熱解碳沉積過程的關鍵控制因素，有助于實現C/C復合材料熱解碳基體相微觀結構的預測，并能為碳/碳復合材料可控制備提供理論支持。

Monte?Carlo（MC）方法即隨機模擬方法，利用隨機數對模擬體系進行模擬，以產生數值形式的概率分布而得名，其不僅能用于求解確定性的數學問題，更加善于解決隨機性問題，尤其可對一些物理、化學學科中的實際問題進行直接模擬。因此能夠利用MC?方法對CVI?過程中熱解碳在基體表面的沉積過程進行模擬，還能夠真實的反映積表面相關參數對于整體表面反應的影響。本發明采用MC?方法，建立一個能夠描述熱解碳基體微觀結構中界面形成的非均相反應動力學機理，并基于該機理模擬出熱解碳基體相的連續沉積中微觀結構的轉變過程。

發明內容

為了解決現有技術問題，本發明克服熱解碳沉積工藝存在的耗時長、費用高和廢氣處理困難等眾多不足，提供了一種基于MC方法模擬C/C復合材料熱解碳織構形成機制的方法。MC方法，善于解決隨機性的問題，而熱解碳的沉積過程正是一個隨機吸附沉積的過程。因此可以利用MC?方法建立六邊形模型對CVI?過程中熱解碳在基體表面的沉積過程進行模擬，還能夠真實的反映積表面相關參數對于整體表面反應的影響。

為達到上述發明創造目的，本發明采用下述技術方案：一種基于Monte?Carlo模擬研究碳/碳復合材料織構形成機制的方法，包括如下步驟：

A.????熱解碳沉積化學動力學建模：CVI?過程中熱解碳基體生長是一個由非均相反應控制的生長過程，在本發明中簡化為7中組分和9個反應，包含小分子芳香烴類C₆（記為P）和線性小分子烴類C₂（記為F）兩種主要的氣相組分，按照L-H理論將沉積成碳的過程分為組分吸附、表面組分脫附和表面脫氫反應三個過程。基于P-F模型將MT和HT熱解碳作為碳的兩種亞穩相，以氣相中的兩種主要組分作為熱解碳沉積的前驅體（線性小分子烴C₂和小分子芳香烴C₆），假設基體表面單分子沉積形成MT熱解碳和表面雙分子反應形成HT熱解碳的過程，建立熱解碳沉積的化學反應動力學模型（如圖1所示）。

基于此化學反應動力學模型，我們提出以下假設，(1)在反應器入口處已完全轉化為小分子A即k₀=0；(2)不考慮C₂和C₆之間的轉化；(3)不考慮C₂在C₆的加成。基于這些假設，此化學動力學模型包含以下7個反應：