沥青基炭材料炭化模型研究

摘要

随着科学技术的迅猛发展，对材料性能的要求越来越高，这就要求人们从材料的制备开始进行严格控制。计算机已成为材料设计与制备研究的一个有力工具，以实验和经验为依据，对材料的制备工艺、性能、结构等进行模拟，可以准确预测材料的基本性能，达到优化制备工艺、减少试验成本的目的。由于煤沥青成分的复杂性，对煤沥青基复合材料的制备过程的模拟还没有得到广泛开展。因此，本文尝试采用数值方法对煤沥青和沥青基复合材料炭化过程进行模拟，以期能更深入地理解沥青基复合材料的制备过程。 分析了典型煤沥青的热失重曲线，根据煤沥青的热解机理，把煤沥青的热解过程分成三个温度相互交叠的反应阶段，依次看作为γ、β、α三伪组分的连续性分解反应，采用Coats-Redfern方法对TG-DTG曲线进行处理，建立了煤沥青分段动力学模型。结果表明煤沥青中的热解反应均服从一级动力学规律，所得到的动力学参数与文献报道的方法所得结果相近。采用该模型预测了加热速率和调制沥青的族组分对炭化过程的影响，结果表明，计算值与实验值的变化基本一致，从而验证了模型的合理性。 分析了煤沥青炭化过程中挥发分形成气泡的生长情况，根据煤沥青的TG曲线和气泡生长的力学平衡方程建立了描述气泡生长的动力学模型。采用该模型对煤沥青炭化过程中挥发分形成的气泡的动力学进行理论计算，结果表明，随着加热速率升高，气泡直径增长在炭化初期减缓，后期增长幅度增大。气泡的界面速度先后出现减小、维持平衡和随失重速率变化一致的三个阶段，加热速率对这种变化趋势没有影响。相同热解温度下，气泡外围的液体速度随加热速率的增加而成倍增加。 研究了C/C复合材料的炭化机理，耦合热量转化、能量转化和热解变化三组基本控制方程，建立了C/C复合材料炭化过程的一维动态模型。采用Matlab软件中偏微分工具箱进行编程，对模型进行求解。利用该模型考察了加热速率、样品厚度及外界压力等参数变化时，样品内部温度、压力、热解率、孔隙率的分布情况。同时讨论了这些因素对C/C复合材料性能的影响。结果表明，随着加热速率的增加，温度梯度、压力梯度、热解梯度和孔隙率分布梯度均有增大，并且随着加热速率的增大，样品表面与中心的最大温差所对应的温度向高温方向偏移；样品厚度增加，其内部温度分布和压力分布梯度也会增大，样品内的沥青热解和孔隙分布变得更不均匀；外界压力越大，炭化过程中样品内外压差相对越小，越有利于获得材质均匀和高性能的C/C复合材料。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

第二章煤沥青的炭化动力学模型

第三章气泡生长动力学

第四章C/C复合材料炭化过程中温度与压力的数值模拟

4.1前言

4.2模型的建立

4.3结果与讨论

4.4本章小结

第五章结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致 谢

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