[發明專利]面向異形薄壁碳/碳復合材料結構的限域反應器設計方法

在審

• 申請號: 202310542975.6
• 申請日: 2023-05-15
• 公開（公告）號: CN116564451A
• 公開（公告）日: 2023-08-08
• 發明（設計）人: 李瑋潔;張中偉;杜東海;郭立佳;王洪翠
• 申請（專利權）人: 北京交通大學;北京理工大學
• 主分類號: G16C60/00
• 分類號: G16C60/00;G06F30/20;G16C10/00;G16C20/10;G06F113/26;G06F113/24
• 代理公司: 北京知藝互聯知識產權代理有限公司 16137
• 代理人: 孟晨光

本發明公開了面向異形薄壁碳/碳復合材料結構的限域反應器設計方法，包括以下步驟：建立異形薄壁碳/碳復合材料結構化學氣相滲透工藝成型理論模型?設計面向異形薄壁碳/碳復合材料結構的限域反應器的數字化模型?搭建仿真模型模擬限域反應器內不同區域的多物理場耦合行為?分析限域反應器設計參數對限域反應器內不同區域流場與濃度場、沉積速率、沉積均勻性的影響規律?給出異形薄壁碳/碳復合材料結構的限域反應器設計參數，實現面向異形薄壁碳/碳復合材料結構快速均勻致密化的限域反應器按需定制。本發明采用上述面向異形薄壁碳/碳復合材料結構的限域反應器設計方法，實現了復雜形狀、壁薄、耐高溫碳/碳復合結構材料的高效高品質制備。

技術領域

本發明涉及復合材料技術領域，尤其涉及面向異形薄壁碳/碳復合材料結構的限域反應器設計方法。

背景技術

新一代超高聲速飛行器采用全新的高升阻比外形設計，兼具飛行速度快、突防能力強和遠距離精確打擊等優點，但是其也面臨著更復雜的氣動熱/力環境，故對飛行器結構的受熱、承載、輕量化等提出了更高的要求。

同時異形薄壁碳/碳結構因其具有優異的力學、防熱、承載等性能，從而用于推動新一代高超聲速飛行器的發展。

而化學氣相滲透(化學氣相滲透工藝)方法具有對纖維損傷較小，可用于近凈尺寸成型等優點，所以適用于異形薄壁碳/碳復合材料結構的制備。但是化學氣相滲透工藝制備異形薄壁碳/碳結構過程中，容易出現沉積速率慢、沉積不均勻等問題。

且異形薄壁碳/碳結構的生產面臨著較多突出問題，主要表現在：1)生產過程中表面容易結殼，阻止了氣體進入，影響生產效率，需要通過高溫處理，改變內部結構，生產周期長；2)制備的異形薄壁碳/碳復合材料結構存在沉積不均勻的問題，影響產品性能的穩定性。

發明內容

針對具有復雜形狀、壁薄、耐高溫等特征的碳/碳復合材料結構化學氣相滲透工藝(化學氣相滲透工藝)成型過程中沉積效率低、均勻性差的問題，本發明提供面向異形薄壁碳/碳復合材料結構的限域反應器設計方法，通過化學氣相滲透工藝成型過程中限域反應器內多物理場調控，給出針對給定幾何特征的異形薄壁碳/碳復合材料結構快速均勻致密化的限域反應器設計參數，實現復雜形狀、壁薄、耐高溫碳/碳復合結構材料高效高品質制備，以滿足新一代高超聲速飛行器結構及其復合材料生產需求。

為實現上述目的，本發明提供了面向異形薄壁碳/碳復合材料結構的限域反應器設計方法，包括以下步驟：

S1、建立異形薄壁碳/碳復合材料結構化學氣相滲透工藝成型理論模型；

S2、設計面向異形薄壁碳/碳復合材料結構的限域反應器的數字化模型；

S3、搭建仿真模型模擬限域反應器內不同區域的多物理場耦合行為；

S4、分析限域反應器設計參數對限域反應器內不同區域流場與濃度場、沉積速率、沉積均勻性的影響規律；

S5、給出異形薄壁碳/碳復合材料結構的限域反應器設計參數，實現面向異形薄壁碳/碳復合材料結構快速均勻致密化的限域反應器按需定制。

優選的，步驟S1所述的異形薄壁碳/碳復合材料結構的壁薄厚度為3mm～10mm；

步驟S1所述的異形薄壁碳/碳復合材料結構化學氣相滲透工藝成型理論模型包括限域反應器內不同區域的化學反應動力學模型、限域反應器內不同區域的氣體流動模型、限域反應器內不同區域的氣體擴散模型和預制體致密化模型，限域反應器內不同區域包括無預制體區域和有預制體區域內；

其中，限域反應器內不同區域的化學反應動力學模型考慮化學氣相滲透工藝成型過程中限域反應器內不同區域的均相與非均相反應機理建立；

限域反應器內不同區域的氣體流動模型考慮化學氣相滲透工藝成型過程中限域反應器內不同區域的氣體流動機制建立；