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C/SiC复合材料优化设计

作　者: 曾庆丰
导　师: 张立同
学　校: 西北工业大学
专　业: 材料学
关键词: C/SiC 复合材料优化设计环境性能制造工艺微结构
分类号: TB332
类　型: 博士论文
年　份: 2004年
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引　用: 7次
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内容摘要

随着计算机科学、人工智能技术的不断进步,材料设计逐渐成为与材料实验和材料理论并行发展的三个方向之一。本文以航空发动机热端部件用连续碳纤维增强的SiC陶瓷基复合材料(C/SiC)为研究对象,以材料虚拟设计为目标,针对航空发动机复杂恶劣的高温服役环境,重点研究了材料环境性能演变、化学气相渗透(CVI)和化学气相沉积(CVD)制备过程的计算机模拟理论与方法,建立了材料闭环设计和跨尺度设计软件系统,并进行了相关实验验证。实现了材料制造与服役过程信息的获取,缩短了材料制造与环境性能考核的周期和降低了研发成本,促进了航空发动机新型材料的发展。在此基础上,发展了材料设计的理论与方法。主要研究结果如下: 1.首次提出了“环境—微结构”两要素材料设计的原理和模型,为材料的“闭环设计”提供了数学表述,并以“阶”的概念对“跨尺度设计”的层次进行定量表述。从而为材料设计的两大难题——“闭环设计”和“跨尺度设计”建立了数学模型。 2.C/SiC复合材料的制造过程涉及宏观尺度的构件排布优化与反应器流场模拟、细观尺度的预制体化学气相渗透以及微观尺度的制备产物计算等问题。本文综合运用遗传算法、有限元法、边界层理论、两步三阶段法、量子化学和化学热力学等计算理论和方法,研究了C/SiC复合材料及其构件制造过程中的宏微观现象,从而优化了CVI/CVD工艺参数: 1) 为了合理利用反应器空间,采用遗传算法实现了宏观尺度构件群的空间排布优化。通过流场模拟表明,构件背风面通常比迎风面的层流边界层厚。可采用降低气体流量的方式减小其厚度差异,也可通过多次调换构件放置姿态,从而获得表面沉积质量较均匀的构件。 2) 根据热解碳(PyC)界面层和SiC基体沉积两个步骤,以及PyC界面层填充单丝纤维间的小孔隙、SiC基体填充单丝纤维间剩余的小孔隙以及SiC基体填充纤维束间的大孔隙三个阶段,首次提出了CVI过程模拟的“两步三阶段法”,实现了C/SiC的PyC界面层与SiC基体制造过程模拟。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-12
第一章绪论  12-50
  1.1 材料科学与工程的四要素  12-14
  1.2 材料设计概述  14-27
    1.2.1 材料设计的概念  14-15
    1.2.2 材料设计的研究思想  15-19
      1.2.2.1 协同论与系统论思想  16
      1.2.2.2 “模型化”思想与“广义态变量”方法  16-17
      1.2.2.3 微结构跨尺度模拟与模拟集成化思想  17-18
      1.2.2.4 统一设计与闭环设计思想  18-19
    1.2.3 材料设计的研究方法  19-27
    1.2.4 材料设计的发展趋势  27
  1.3 C／SiC复合材料概述  27-30
  1.4 C／SiC的计算机模拟研究  30-36
    1.4.1 C／SiC制备过程模拟  30-34
      1.4.1.1 基体与界面的CVI制备过程模拟  30-31
      1.4.1.2 表面涂层的CVD制备过程模拟  31-34
    1.4.2 C／SiC服役过程模拟  34-36
  1.5 本文的选题依据、研究目的、研究内容和技术路线  36-41
    1.5.1 选题依据  36-38
    1.5.2 研究目的  38
    1.5.3 研究内容  38
    1.5.4 技术路线  38-40
    1.5.5 研究方法  40-41
  参考文献  41-50
第二章 CVI与CVD工艺过程模拟  50-90
  2.1 CVI过程模拟的实验基础  50-52
  2.2 CVI过程模拟的理论基础  52-64
    2.2.1 气体扩散模型  52-54
    2.2.2 反应动力学  54-55
    2.2.3 传质模型  55
    2.2.4 预制体的孔隙结构建模  55-58
    2.2.5 CVI过程模拟的“两步三阶段法”  58-61
    2.2.6 CVI反应室的流场模型  61-64
  2.3 CVI工艺过程模拟结果与讨论  64-74
    2.3.1 制备温度对CVI致密化过程的影响  64-67
    2.3.2 制备压力对CVI致密化过程的影响  67-70
    2.3.3 预制体厚度尺寸对CVI致密化过程的影响  70-74
  2.4 构件表面CVD-SiC涂层质量控制  74-81
    2.4.1 CVD过程模拟的实验基础  74-75
    2.4.2 倾斜平板上的质量传输  75-77
    2.4.3 模拟结果与讨论  77-81
  2.5 软计算在CVI工艺过程模拟中的应用  81-86
    2.5.1 构件排布优化准则  81-82
    2.5.2 构件排布优化方法  82-85
    2.5.3 构件排布优化结果  85-86
  2.6 本章小结  86-88
  参考文献  88-90
第三章 C／SiC服役环境性能模拟  90-104
  3.1 C／SiC在热物理化学环境中的性能模拟  90-93
    3.1.1 基本模型  90-91
    3.1.2 C／SiC的相对重量变化与混合气氛的关系  91-93
    3.1.3 C／SiC的相对重量变化与涂层层数的关系  93
  3.2 模型的应用  93-96
    3.2.1 涂层层数与复合材料相对重量变化的关系  93-95
    3.2.2 不同环境对复合材料环境行为的影响  95-96
  3.3 软计算在C／SiC服役环境性能模拟中的应用  96-102
    3.3.1 模糊规则及其依据  96-99
    3.3.2 模拟结果与讨论  99-102
  3.4 本章小结  102-103
  参考文献  103-104
第四章 C／SiC制备过程产物的热力学计算  104-133
  4.1 热化学数据的获取  104-112
    4.1.1 化学热力学  104-106
    4.1.2 利用量子化学计算获取热化学数据  106-112
  4.2 CVI与CVD工艺过程沉积产物的热力学计算  112-131
    4.2.1 热力学数据的计算与验证  112-119
    4.2.2 沉积产物计算与工艺参数优选  119-131
      4.2.2.1 制备温度对沉积产物的影响  119-124
      4.2.2.2 气体流量对沉积产物的影响  124-127
      4.2.2.3 制备压力对沉积产物的影响  127-131
  4.3 本章小结  131-132
  参考文献  132-133
第五章 C／SiC服役过程产物的热力学计算  133-170
  5.1 热力学数据的计算与验证  133-139
  5.2 服役产物热力学计算  139-168
    5.2.1 C／SiC在干氧环境中的氧化特征  139-143
    5.2.2 C／SiC在水蒸气环境中的氧化特征  143-149
    5.2.3 C／SiC在湿氧环境中的腐蚀特征  149-156
    5.2.4 C／SiC在硫酸钠环境中的腐蚀特征  156-161
    5.2.5 C／SiC在湿氧和硫酸钠耦合环境中的氧化与腐蚀特征  161-168
  5.3 本章小结  168-169
  参考文献  169-170
第六章 C／SiC复合材料设计软件系统的建立  170-187
  6.1 “两要素”材料设计原理与模型  170-175
  6.2 “两要素”原理用于材料设计软件研发  175-179
    6.2.1 “两要素”原理对材料设计软件的评价  175-177
    6.2.2 材料设计软件研发的流程  177-179
  6.3 C／SiC复合材料的“两要素”材料设计原理  179-180
  6.4 软件实现  180-184
  6.5 本章小结  184-186
  参考文献  186-187
结论  187-189
存在的问题及进一步的工作  189-191
附录1 程序说明  191-192
附录2 攻读博士学位期间论文发表情况  192-194
致谢  194-196
西北工业大学学位论文知识产权声明书  196
西北工业大学学位论文原创性声明  196

C/SiC复合材料优化设计

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