Abstract

A mathematical model has been developed to describe the process of a high-temperature silicification process in a carbon-carbon porous material. The statement of the problem is based on general equations describing the clogging of tubules in a porous medium with various kinds of impurities. In the problem under consideration, the cause of blockage is the condensation of gaseous silicon on the inner walls of the pores. Temperature dependences for the coefficients of condensation and evaporation are proposed, which characterize the intensity of this process. It is assumed that the diffusion of gas is the main mechanism of initial filling pores of the material. Numerical modeling was carried out by the finite difference method using an explicit scheme in the case of a constant value of the mobile concentration at the input and for imposed linear temperature distribution on the vertical boundaries of the sample. Such temperature distribution made it possible to describe a partially silicified region and to delimit from it the sample part that remains “dry” during this process. The dynamics of the main physical characteristics, i.e. porosity of the composite material and concentration of the immobile component in the volume, is analyzed. The external factors influencing the intensity of the condensation process are considered quantitatively, namely, the concentration of the mobile component in the volume is calculated as a function of time. For the characteristic time interval, the maximum change in the porosity of the medium is calculated, on the basis of which the time of complete saturation of the material is estimated, which, as it turned out, is equal about 2 hours. The results of numerical simulation for silicification time and weight gain of the product are in qualitative and quantitative agreement with the known experimental data.

Highlights

  • С целью теоретического описания процесса высокотемпературного силицирования углеродного волокна разработана физико-математическая модель на основе общих уравнений, описывающих закупоривание пористой среды различного рода примесями

  • Количественно описаны внешние факторы, влияющие на интенсивность процесса конденсации, а именно, проведен расчет концентрации мобильного компонента в объеме в зависимости от времени

  • A mathematical model has been developed to describe the process of a high-temperature silicification process in a carbon-carbon porous material

Read more

Summary

Введение

В настоящее время цели и методы силицирования различных материалов весьма разнообразны. В данной работе под силицированием будем понимать специфическую технологию создания композитного материала, заключающуюся в насыщении объема исходной пористой матрицы кремнием при высокой температуре. В качестве пористой среды выступает углеродное волокно с низкой проницаемостью. Кремниевые соединения с углеродом по причине высокой инертности играют роль объемного антиокислительного компонента, наличие которого определяет огнеупорные свойства высокотемпературных камер сгорания. В дополнение, изделия, выполненные из таких композитных материалов, имеют небольшой вес. Производство высококачественных крупногабаритных изделий из композитных материалов на основе углеродного волокна до сих пор является актуальной проблемой современного материаловедения [1,2,3,4]. Теоретическое описание в виде прямого численного моделирования подобных процессов отсутствует в литературе. Кремния осуществляется со стороны широких граней, при этом значение концентрации на входе в образец равно C0

Постановка задачи
Система уравнений
Обсуждение результатов
Методика решения
Заключение
Full Text
Published version (Free)

Talk to us

Join us for a 30 min session where you can share your feedback and ask us any queries you have

Schedule a call