[发明专利]面向异形薄壁碳/碳复合材料结构的限域反应器设计方法

说明书

本发明公开了面向异形薄壁碳/碳复合材料结构的限域反应器设计方法，包括以下步骤：建立异形薄壁碳/碳复合材料结构化学气相渗透工艺成型理论模型‑设计面向异形薄壁碳/碳复合材料结构的限域反应器的数字化模型‑搭建仿真模型模拟限域反应器内不同区域的多物理场耦合行为‑分析限域反应器设计参数对限域反应器内不同区域流场与浓度场、沉积速率、沉积均匀性的影响规律‑给出异形薄壁碳/碳复合材料结构的限域反应器设计参数，实现面向异形薄壁碳/碳复合材料结构快速均匀致密化的限域反应器按需定制。本发明采用上述面向异形薄壁碳/碳复合材料结构的限域反应器设计方法，实现了复杂形状、壁薄、耐高温碳/碳复合结构材料的高效高品质制备。

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，尤其涉及面向异形薄壁碳/碳复合材料结构的限域反应器设计方法。

背景技术

新一代超高声速飞行器采用全新的高升阻比外形设计，兼具飞行速度快、突防能力强和远距离精确打击等优点，但是其也面临着更复杂的气动热/力环境，故对飞行器结构的受热、承载、轻量化等提出了更高的要求。

同时异形薄壁碳/碳结构因其具有优异的力学、防热、承载等性能，从而用于推动新一代高超声速飞行器的发展。

而化学气相渗透(化学气相渗透工艺)方法具有对纤维损伤较小，可用于近净尺寸成型等优点，所以适用于异形薄壁碳/碳复合材料结构的制备。但是化学气相渗透工艺制备异形薄壁碳/碳结构过程中，容易出现沉积速率慢、沉积不均匀等问题。

且异形薄壁碳/碳结构的生产面临着较多突出问题，主要表现在：1)生产过程中表面容易结壳，阻止了气体进入，影响生产效率，需要通过高温处理，改变内部结构，生产周期长；2)制备的异形薄壁碳/碳复合材料结构存在沉积不均匀的问题，影响产品性能的稳定性。

发明内容

针对具有复杂形状、壁薄、耐高温等特征的碳/碳复合材料结构化学气相渗透工艺(化学气相渗透工艺)成型过程中沉积效率低、均匀性差的问题，本发明提供面向异形薄壁碳/碳复合材料结构的限域反应器设计方法，通过化学气相渗透工艺成型过程中限域反应器内多物理场调控，给出针对给定几何特征的异形薄壁碳/碳复合材料结构快速均匀致密化的限域反应器设计参数，实现复杂形状、壁薄、耐高温碳/碳复合结构材料高效高品质制备，以满足新一代高超声速飞行器结构及其复合材料生产需求。

为实现上述目的，本发明提供了面向异形薄壁碳/碳复合材料结构的限域反应器设计方法，包括以下步骤：

S1、建立异形薄壁碳/碳复合材料结构化学气相渗透工艺成型理论模型；

S2、设计面向异形薄壁碳/碳复合材料结构的限域反应器的数字化模型；

S3、搭建仿真模型模拟限域反应器内不同区域的多物理场耦合行为；

S4、分析限域反应器设计参数对限域反应器内不同区域流场与浓度场、沉积速率、沉积均匀性的影响规律；

S5、给出异形薄壁碳/碳复合材料结构的限域反应器设计参数，实现面向异形薄壁碳/碳复合材料结构快速均匀致密化的限域反应器按需定制。

优选的，步骤S1所述的异形薄壁碳/碳复合材料结构的壁薄厚度为3mm～10mm；

步骤S1所述的异形薄壁碳/碳复合材料结构化学气相渗透工艺成型理论模型包括限域反应器内不同区域的化学反应动力学模型、限域反应器内不同区域的气体流动模型、限域反应器内不同区域的气体扩散模型和预制体致密化模型，限域反应器内不同区域包括无预制体区域和有预制体区域内；

其中，限域反应器内不同区域的化学反应动力学模型考虑化学气相渗透工艺成型过程中限域反应器内不同区域的均相与非均相反应机理建立；

限域反应器内不同区域的气体流动模型考虑化学气相渗透工艺成型过程中限域反应器内不同区域的气体流动机制建立；