一種基于蒙特卡洛模擬碳/碳復合材料織構(gòu)的方法
【技術(shù)領域】
[0001] 本本發(fā)明涉及一種碳/碳（C/C)復合材中料熱解碳織構(gòu)形成機制的研究方法， 特別是涉及了一種C/C復合材料熱解碳沉積工藝的預測方法，還涉及了一種基于Monte Carlo隨機模擬研究分析的方法。該發(fā)明應用于建立了工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫和分析CVI工藝參 數(shù)對熱解碳沉積過程影響的技術(shù)領域，對C/C復合材料工業(yè)生產(chǎn)有較好的技術(shù)指導意義。
【背景技術(shù)】
[0002] C/C復合材料即碳纖維增強碳基復合材料，是一種耐高溫高性能結(jié)構(gòu)材料，具有高 比強度、高比模量、耐磨以及良好的韌性，被廣泛應用于航空航天領域。按照制備工藝的不 同，C/C復合材料的碳基體可分為：浙青碳、樹脂碳和熱解碳。其中以熱解碳為基體的C/ c復合材料綜合性能最佳。因在偏光顯微鏡的消光角的不同，C/C復合材料又分為高織構(gòu) (HT)、中織構(gòu)（MT)和低織構(gòu)（LT)，其中以高織構(gòu)應用范圍最廣。
[0003] 目前，CVI是制備熱解碳最普遍的工藝，采用氣相烴類為前驅(qū)氣體，經(jīng)過復雜的氣 相反應和表面沉積反應得到不同織構(gòu)的熱解碳基體，這種方法制備的熱解碳基體微觀結(jié)構(gòu) 變化大，存在許多內(nèi)部亞界面，直接影響到材料宏觀力學性能。長期以來人們一直希望能通 過控制CVI工藝參數(shù)來控制沉積的熱解碳基體的微觀結(jié)構(gòu)，得到滿足不同服役條件的C/C 復合材料。因此探索C/C復合材料中熱解碳基體微觀結(jié)構(gòu)界面的形成機制，將有助于深入 理解熱解碳沉積過程的關鍵控制因素，有助于實現(xiàn)C/C復合材料熱解碳基體相微觀結(jié)構(gòu)的 預測，并能為碳/碳復合材料可控制備提供理論支持。
[0004] Monte Carlo (MC)方法即隨機模擬方法，利用隨機數(shù)對模擬體系進行模擬，以產(chǎn)生 數(shù)值形式的概率分布而得名，其不僅能用于求解確定性的數(shù)學問題，更加善于解決隨機性 問題，尤其可對一些物理、化學學科中的實際問題進行直接模擬。因此能夠利用MC方法對 CVI過程中熱解碳在基體表面的沉積過程進行模擬，還能夠真實的反映積表面相關參數(shù)對 于整體表面反應的影響。本發(fā)明采用MC方法，建立一個能夠描述熱解碳基體微觀結(jié)構(gòu)中界 面形成的非均相反應動力學機理，并基于該機理模擬出熱解碳基體相的連續(xù)沉積中微觀結(jié) 構(gòu)的轉(zhuǎn)變過程。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了解決現(xiàn)有技術(shù)問題，本發(fā)明克服熱解碳沉積工藝存在的耗時長、費用高和廢 氣處理困難等眾多不足，提供了一種基于MC方法模擬C/C復合材料熱解碳織構(gòu)形成機制的 方法。MC方法，善于解決隨機性的問題，而熱解碳的沉積過程正是一個隨機吸附沉積的過 程。因此可以利用MC方法建立六邊形模型對CVI過程中熱解碳在基體表面的沉積過程進 行模擬，還能夠真實的反映積表面相關參數(shù)對于整體表面反應的影響。
[0006] 為達到上述發(fā)明創(chuàng)造目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：一種基于Monte Carlo模 擬研究碳/碳復合材料織構(gòu)形成機制的方法，包括如下步驟： A.熱解碳沉積化學動力學建模：CVI過程中熱解碳基體生長是一個由非均相反應控 制的生長過程，在本發(fā)明中簡化為7中組分和9個反應，包含小分子芳香烴類C6(記為P)和 線性小分子烴類C2 (記為F)兩種主要的氣相組分，按照L-H理論將沉積成碳的過程分為組 分吸附、表面組分脫附和表面脫氫反應三個過程?；赑-F模型將MT和HT熱解碳作為碳 的兩種亞穩(wěn)相，以氣相中的兩種主要組分作為熱解碳沉積的前驅(qū)體(線性小分子烴C 2和小 分子芳香烴C6)，假設基體表面單分子沉積形成MT熱解碳和表面雙分子反應形成HT熱解碳 的過程，建立熱解碳沉積的化學反應動力學模型(如圖1所示)。
[0007] 基于此化學反應動力學模型，我們提出以下假設，（1)在反應器入口處已完全轉(zhuǎn)化 為小分子A即1^=0 ; (2)不考慮(：2和C 6之間的轉(zhuǎn)化；（3)不考慮C 2在C 6的加成?；谶@些 假設，此化學動力學模型包含以下7個反應：
【主權(quán)項】
1. 在一種基于蒙特卡洛模擬碳/碳復合材料織構(gòu)的方法，其特征在于包括以下步驟： A. 熱解碳沉積化學動力學建模：CVI過程中熱解碳基體生長是一個由非均相反應控 制的生長過程，涉及7中組分和9個反應，包含小分子芳香烴類C6和小分子線性烴類C2兩 種主要的氣相組分，其中，C6記為P，C2記為F;按照L-H理論將沉積成碳的過程分為組分吸 附、表面組分脫附和表面脫氫反應這三個過程，基于P-F模型將MT和HT熱解碳作為碳的兩 種亞穩(wěn)相，以氣相中的兩種主要組分線性小分子烴C2和小分子芳香烴(：6作為熱解碳沉積的 前驅(qū)體，假設基體表面單分子沉積形成MT熱解炭和表面雙分子反應形成HT熱解炭的過程， 建立熱解碳沉積的化學動力學模型； B. 熱解碳MC算法：熱解碳沉積的化學動力學模型中，熱解碳基體的表面用一個由 六邊形格子組成的50*50的二維平面表示，線性小分子C2的吸附、脫附和沉積反應發(fā)生 在相鄰的兩個格點上，大分子芳香烴(： 6的吸附、脫附和沉積反應發(fā)生在能形成六元環(huán)的 格點上，表面雙分子反應發(fā)生在一個(：6吸附位和與之相鄰的一個(： 2吸附位上，事件i發(fā) 生的概率Pi是第i個反應的反應速率占所有反應速率總和的比例；相關的反應概率為：
其中Pi為第i個反應發(fā)生的概率； C. 編寫C++程序，根據(jù)輸入不同的氣相組分配比，即線性小分子C2的濃度a和小分子 芳香烴C6的濃度b，計算在一次MCS內(nèi)各個反應進行的反應數(shù)，并由此作出各個反應數(shù)隨 MCS增加而變化的圖形，步長設定為20000MCS。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于蒙特卡洛模擬碳/碳復合材料織構(gòu)的方法，其特征在于： 上述步驟a中，熱解碳基體生長過程中，涉及7中組分和9個反應，其中，原料氣在反應器入 口處已完全轉(zhuǎn)化為小分子，即kQ=0 ;且不考慮(：2與C6之間的轉(zhuǎn)化，即k8=0。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于蒙特卡洛模擬碳/碳復合材料織構(gòu)的方法，其特征在于： 上述步驟a中，所述的化學動力學模型中，假設基體表面單分子沉積形成MT熱解碳和表面 雙分子反應形成HT熱解碳。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于蒙特卡洛模擬碳/碳復合材料織構(gòu)的方法，其特征在于： 上述步驟b中，所述的化學動力學模型，是一個由六邊形格子組成的50*50的二維平面，這 與實際反應中熱解碳沉積機制是一致的。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于蒙特卡洛模擬碳/碳復合材料織構(gòu)的方法，其特征在于： 上述步驟b中，具體MC模擬的算法流程如下： (1) 初始化基體表面，認為初始表面全為活性位覆蓋，即設定二維數(shù)組為二維〇數(shù)組； (2) 掃描整個二維數(shù)組，分別計算每一個事件i(i=l，2，…，7)對應的發(fā)生的概率 Pi (3) 生成一個分布于（0，1)的均勻隨機數(shù)r，如果
那么第k 個反應將發(fā)生（k=l，2，…，7); (4) 如果k=l，則發(fā)生C2吸附，那么在整個2D六邊形網(wǎng)格中隨機選擇一個空位，再選擇 一個與之相鄰的空位進行吸附，線性小分子C2吸附數(shù)nax+1，并更新這兩格點數(shù)組值為-1 ; 如果與該空位相連的格點上不存在空位，即嘗試失敗，返回步驟（2)進行新一輪循環(huán)； 如果1^=2，則(：2*在基體表面脫附，從表面已被C2占據(jù)的格點位置中隨機選擇一個位置， 與(：2吸附類似，再選擇一個與之相鄰的(：2吸附點進行脫附，線性小分子C2脫附數(shù)nat+1，并 更新這兩格點數(shù)組值為0,如果與該位置相連的格點中都沒有被(：2*占據(jù)，則嘗試失敗，返回 步驟（2)進行下一次循環(huán)； 如果k=3,則C6吸附，那么在整個2D六邊形網(wǎng)格中隨機選擇一個空位，若該空位周圍的 空位能與之組成正六邊形的六元環(huán)則發(fā)生C6吸附，小分子芳香烴的吸附數(shù)nbx+1，并更新數(shù) 組值為nbx，如果該空位與周圍的空位不能組成至少一個正六邊形的六元環(huán)，則嘗試失敗， 返回步驟（2)進行新一輪循環(huán)； 如果k=4,則C6*在基體表面脫附，那么在整個2D六邊形網(wǎng)格中隨機選擇一個C6*吸附 位，確定此吸附位數(shù)組值，掃描整個平面，更新表面，將數(shù)組值為此值的吸附位的格點的數(shù) 組值更新為〇,同時，小分子芳香烴C6*的脫附數(shù)nbt+1 ;如果不存在，則嘗試失敗，返回步驟 (2)進行下一次循環(huán)； 如果k=5,則C2*在基體表面沉積，從表面已被C2占據(jù)的格點位置中隨機選擇一個位置， 與(：2脫附類似，再選擇一個與之相鄰的C2吸附點進行沉積，線性小分子C2沉積數(shù)na+1，并 更新這兩格點數(shù)組值為0,如果與該位置相連的格點中都沒有被(：2*占據(jù)，則嘗試失敗，返回 步驟（2)進行下一次循環(huán)； 如果k=6,則C6*在基體表面沉積，那么在整個2D六邊形網(wǎng)格中隨機選擇一個C6*吸附 位，確定此吸附位的數(shù)組值，掃描整個平面，更新表面，將數(shù)組值與此值相同的格點的數(shù)組 值更新為〇,同時，小分子芳香烴(： 6的沉積數(shù)nbd+1，如果不存在，則嘗試失敗，返回步驟（2) 進行下一次循環(huán)； 如果k=7,則C2*與C6*在基體表面發(fā)生雙分子反應，那么在整個2D六邊形網(wǎng)格中隨機 選擇一個已被C2*占據(jù)的位置，如果該點滿足雙分子反應的條件，則進行雙分子反應，雙分 子反應數(shù)nab+1，同時更新參與反應的格點的數(shù)組值為0,如果與此C2*相連的格點中不存 在C2*吸附點或者與這2個C2*相鄰的格點中不存在C6*的六元環(huán)吸附點，則嘗試失敗，返 回步驟（2)進行下一次循環(huán)； (5) 對步驟2-4進行循環(huán)運算直到需要的模擬步長。
【專利摘要】本發(fā)明公開了基于蒙特卡洛模擬碳/碳復合材料織構(gòu)的方法，包括：熱解碳基體沉積化學動力學建模；熱解碳沉積過程的Monte？Carlo建模；編寫模擬熱解碳沉積過程的C++程序；把程序設定為20000？MCS，1MCS=50*50次循環(huán)。對模擬結(jié)果進行作圖。本發(fā)明成功利用了蒙特卡洛模擬隨機性的特點，對CVI過程中熱解碳在基體表面的沉積過程進行模擬，真實的反應了CVI工藝參數(shù)對于整個反應過程的影響，對工業(yè)生產(chǎn)有較好的技術(shù)指導意義。
【IPC分類】G06F19-00
【公開號】CN104573370
【申請?zhí)枴緾N201510022415
【發(fā)明人】劉柄林, 馬驍, 湯哲鵬, 邵勤思, 孫晉良, 任慕蘇, 李愛軍
【申請人】上海大學
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2015年1月16日