بخشی از مقاله
خلاصه
از یک مدل ریاضی دو بعدی تقارن محوری برای شبیه سازی فرایند نفوذ شیمیایی بخار همدما و همفشار کامپوزیت استوانهای C/SiC در یک راکتور استوانهای و شبیه سازی همزمان پدیدههای انتقال مومنتوم، انرژی و جرم در درون راکتور و شبیه سازی پدیدههای انتقال انرژی و جرم و نیز واکنش نفوذ و رسوب در درون قطعه مورد استفاده قرار گرفت و این مدل ریاضی به روش المان محدود حل گردید.
حل عددی، با یک فرایند نفوذ شیمیایی بخار بخار همدما و همفشار واقعی با ابعاد مشابه راکتور و قطعه مورد صحت سنجی قرار گرفت و درستی حل اثبات شد. سپس اثر دما بر سینتیک واکنش به شبیه سازی اضافه شد و اثر تغییر دمای واکنش بر افزایش تخلخل و دانسیته قطعه مورد بررسی قرار گرفت. و نتایج شبیه سازی نشان داد هرچه که دما بیشتر باشد سرعت فرایند نفوذ بیشتر است اما در دماهای بالاتر ماتریس سرامیکی تولید شده یکنواختی کمتری دارد و تخلخل نهایی قطعه کامپوزیتی نهایی کمتر خواهد بود.
.1 مقدمه
کاربرد کامپوزیتهای سرامیکی خصوصا کامپوزیت C/SiC - کامپوزیت سرامیکی تقویت شده با الیاف کربن - در مکانهایی است که مواد معمولی خواص مکانیکی و یا محدوده تحمل آسیب مورد نظر را در دماهای بالا ندارند و نیز در مکانهایی که وزن کم قطعات مورد نیاز میباشد. تکنولوژی نفوذ شیمیایی بخار - - CVI یکی از جذاب ترین روش های صنعتی موجود برای تولید ترکیبات ماتریکس سرامیکی - - CMC تقویت شده با فیبر است CVI .[1] فرآیندی است که در آن یک قطعه ی متخلخل با یک مخلوط گازی واکنش پذیر احاطه می شود که این باعث فعالیت حرارتی و تجزیه گاز شده و این خود باعث رسوب یک جامد در حفره های درون قطعه شده و باعث پر شدن آنان می گردد.
کامپوزیتهای تولید شده با نفوز شیمیایی بخار در حال حاضر خواص حرارتی بسیار بالایی شامل ساختار قوی، مدول الاستیسیته، مقاومت در برابر خراش و خوردگی، مقاومت در برابر شوک حرارتی، آسیب و خستگی، پایداری شیمیایی و سختی شکست بسیار بیشتری نسبت به سرامیکهای تقویت نشده از خود نشان میدهد .[3] در فرآیند نفوز شیمیایی بخار همدما همفشار صنعتی دما، فشار و غلظت به منظور رسیدن به سرعت چگالش لازم به اندازه ی لازم بالا نگه داشته میشود. با این روش رسوب گذاری در قسمتهای خارجی قطعه بیش از قسمتهای داخلی قطعه انجام خواهد شد.
بنابراین تخلخل در سطح جسم سریعتر بسته خواهد شد و شیب چگالی از سطح به داخل قطعه به وجود خواهد آمد و ترکیب حاصله همگن نخواهد بود .[4] مهمترین اشکالی که فرآیند CVIهمدما دارد غیریکنواخت بودن متراکم شدن قطعه و وجود کسر بالای باقیمانده خالی - تخلخل - از ترکیب است. به منظور دستیابی به نفوذ نسبتاً یکنواخت سرعت انتقال جرم بالاتر از سرعت رسوب باشد.
به همین دلیل لازم است زمان فرآیند بسیار طولانی باشد که در برخی از موارد به چند هفته هم می رسد. بنابراین مهمترین چالش پیش روی فرآیند CVIهمدما یافتن پارامترهای بهینه است که تا آنجا که کیفیت مواد مورد نیاز است زمان نفوذ را به حداقل رساند. برای رسیدن به این منظور هدف مدلسازی عددی می تواند یک ابزار مفید برای مطالعه و بهینه سازی CVIهمدما باشد. بررسی منابع موجود در این زمینه نشان می دهد که تعداد زیادی مقاله در مورد مدلسازی CVI وجود دارد .[5]
.2 شرح مدل
مدل راکتور و قطعهی شبیه سازی شده در این پژوهش یک راکتور استوانهای دیواره داغ به ابعاد 350 mm و قطر 50 mm است که دما دیوارههای کنترل میشود تا در دمای ثابت بماند و دمای محیط درونی راکتور را برای فرایند CVIهمدما در دمای ثابت نگاه دارد. یک قطعه متخلخل به طول 40 mm و شعاع 6 mm در فاصلهی 200 mm ورودی و در مرکز راکتور قرار دارد. در شکل یک شمایی از راکتور و قطعه نشان داده شده است. در این راکتور گاز متیل تری کلروسایلن - CH3SiCl3 - - MTS - وارد راکتور میشود و در درون قطعهی متخلخل کربنی تجزیه میشود و رسوب SiC در درون قطعه تشکیل میشود و کامپوزیت سرامیکی C/SiC تشکیل میشود.
در این پژوهش برای شبیه سازی این فرایند چند فرض اساسی در نظر گرفته شده است:
1. از انتالپی واکنش صرف نظر شده است
2. نفوذ گازهای واکنشی در قطعهی متخلخل ساخته شده از فیبر کربن به صورت همگرا* در نظر گرفته شده است.
3. از واکنش تجزیه و رسوب بر دیوارههای راکتور صرف نظر شده است .[6]
4. از انتقال مومنتوم در درون قطعه صرف نظر شده وسرعت گاز در قطعه صفر در نظر گرفته شده است و انتقال حرارت و جرم در درون قطعه تنها با کانداکشن صورت میپذیرد .[7]
5. از تراکم پذیری گازها صرف نظر شده است و جریان درون راکتور به صورت جریام آرام در نظر گرفته شده است. پذیرش مقاله به اطلاع مولف رابط خواهد رسید. با اینحال آخرین وضعیت مقالات در هر لحظه از طریق تارنمای کنفرانس قابل پیگیری میباشد. در صورت پذیرش، لازم است مولفین مقاله، اصلاحات خواسته شده داوران را در نسخه نهایی و در مدت زمان خواسته شده اعمال نموده و نسخه نهایی را از طریق تارنمای کنفرانس ارسال نمایند.
.3 معادلات حاکم بر فرایند و شروط مرزی
معادلات حاکم بر تشکیل کامپوزبت C/SiC به روش CVI همدما همفشار شامل معادلات در حوزههای پدیدهها انتقال جرم، مومنتوم و معادلات سینتیکی واکنش و تغیر ساختار قطعه است. این معادلات با در نظر گرفتن فرضهای بالا صحیح است اعتبار آنها وابسطه به فرضهایی است که برای ساده سازی حل مساله گرفته شده است. چون مدل در نظر گرفته یک مدل تقارن محوری است بسط این معادلات باید در سیستم مختصاتی استوانهای در راستای - r,z - انجام شود تا صورت معادلات با شبیه سازی مطابقت داشته باشد.
