[发明专利]一种基于蒙特卡洛模拟碳/碳复合材料织构的方法

说明书

技术领域

本本发明涉及一种碳/碳(C/C)复合材中料热解碳织构形成机制的研究方法，特别是涉及了一种C/C复合材料热解碳沉积工艺的预测方法，还涉及了一种基于Monte Carlo随机模拟研究分析的方法。该发明应用于建立了工艺参数数据库和分析CVI工艺参数对热解碳沉积过程影响的技术领域，对C/C复合材料工业生产有较好的技术指导意义。

背景技术

C/C复合材料即碳纤维增强碳基复合材料，是一种耐高温高性能结构材料，具有高比强度、高比模量、耐磨以及良好的韧性，被广泛应用于航空航天领域。按照制备工艺的不同，C/C 复合材料的碳基体可分为：沥青碳、树脂碳和热解碳。其中以热解碳为基体的C/C 复合材料综合性能最佳。因在偏光显微镜的消光角的不同，C/C复合材料又分为高织构（HT）、中织构（MT）和低织构（LT），其中以高织构应用范围最广。

目前，CVI是制备热解碳最普遍的工艺，采用气相烃类为前驱气体，经过复杂的气相反应和表面沉积反应得到不同织构的热解碳基体，这种方法制备的热解碳基体微观结构变化大，存在许多内部亚界面，直接影响到材料宏观力学性能。长期以来人们一直希望能通过控制CVI 工艺参数来控制沉积的热解碳基体的微观结构，得到满足不同服役条件的C/C复合材料。因此探索C/C复合材料中热解碳基体微观结构界面的形成机制，将有助于深入理解热解碳沉积过程的关键控制因素，有助于实现C/C复合材料热解碳基体相微观结构的预测，并能为碳/碳复合材料可控制备提供理论支持。

Monte Carlo（MC）方法即随机模拟方法，利用随机数对模拟体系进行模拟，以产生数值形式的概率分布而得名，其不仅能用于求解确定性的数学问题，更加善于解决随机性问题，尤其可对一些物理、化学学科中的实际问题进行直接模拟。因此能够利用MC 方法对CVI 过程中热解碳在基体表面的沉积过程进行模拟，还能够真实的反映积表面相关参数对于整体表面反应的影响。本发明采用MC 方法，建立一个能够描述热解碳基体微观结构中界面形成的非均相反应动力学机理，并基于该机理模拟出热解碳基体相的连续沉积中微观结构的转变过程。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明克服热解碳沉积工艺存在的耗时长、费用高和废气处理困难等众多不足，提供了一种基于MC方法模拟C/C复合材料热解碳织构形成机制的方法。MC方法，善于解决随机性的问题，而热解碳的沉积过程正是一个随机吸附沉积的过程。因此可以利用MC 方法建立六边形模型对CVI 过程中热解碳在基体表面的沉积过程进行模拟，还能够真实的反映积表面相关参数对于整体表面反应的影响。

为达到上述发明创造目的，本发明采用下述技术方案：一种基于Monte Carlo模拟研究碳/碳复合材料织构形成机制的方法，包括如下步骤：

A.    热解碳沉积化学动力学建模：CVI 过程中热解碳基体生长是一个由非均相反应控制的生长过程，在本发明中简化为7中组分和9个反应，包含小分子芳香烃类C₆（记为P）和线性小分子烃类C₂（记为F）两种主要的气相组分，按照L-H理论将沉积成碳的过程分为组分吸附、表面组分脱附和表面脱氢反应三个过程。基于P-F模型将MT和HT热解碳作为碳的两种亚稳相，以气相中的两种主要组分作为热解碳沉积的前驱体（线性小分子烃C₂和小分子芳香烃C₆），假设基体表面单分子沉积形成MT热解碳和表面双分子反应形成HT热解碳的过程，建立热解碳沉积的化学反应动力学模型（如图1所示）。

基于此化学反应动力学模型，我们提出以下假设，(1)在反应器入口处已完全转化为小分子A即k₀=0；(2)不考虑C₂和C₆之间的转化；(3)不考虑C₂在C₆的加成。基于这些假设，此化学动力学模型包含以下7个反应：