·计算材料学·
热固性树脂炭化过程中的耦合控制方程建立
苏小虎梁伟
（北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京100191）
文摘树脂炭化是一个复杂的物理化学变化过程，包括传热传质、应力应变、热分解等耦合过程。基于物理守恒原理，理论推导出了瞬态的热-流-固耦合方程组，包括树脂变形方程、热解气体渗流方程和能量守恒方程，分析了各物理场之间的相互耦合作用，并对后续研究提出建议。
关键词碳/碳复合材料，树脂，炭化，多场耦合，控制方程
中图分类号：TU52
D0I:10.3969/j. issn. 10072330.2015.05.003
Establishment of Coupled Governing Equations in the Carbonization
ProcessofThermosetResins
SUXiaohu
LIANGWei
(School of Aeronautic Science and Engineering, Beihang University, Beijing 100191)
Abstract The carbonization of resins owns a very complicated with physically and chemically phenomenon, in-volving heat and mass transfer, stress and strain generation and pyrolysis. The transient goverming equations of cou pled thermo-hydro-mechanical process are theoretically derived based on physical conservation, namely equations for resins deformation, gas flow and energy conservation. Analysis of coupling interaction of the multi-physics are carried on. And some suggestions are proposed for further study.
Key wordsC/C composites,Resins,Carbonization,Coupled multiphysics,Goverming equations
0引言
C/C复合材料具有一系列其他材料所无法比拟的独特优点，在航天工程、新型飞机、高速列车等领域得到愈来愈广泛的应用(1-2)。但是由于高成本，C/C 复合材料仅仅应用在一些特殊领域。然而随着对C/ C复合材料的需求越来越多，减少生产周期和降低生产成本变得必要。因此，需要对生产工艺进行改进，精确控制以获得满足性能要求的最终产品。
在C/C复合材料的生产过程中，炭化是关键的一个环节。炭化过程中，树脂基体会释放出气体留下残碳作为C/C复合材料的碳基。这是一个十分复杂的过程，涉及到力学和化学中许多耦合场，包括过程中的传质传热、产生残余应力应变、裂缝的产生以及
树脂的热分解等，且每种变化进程对其他进程有很大影响，因此这就要求同时分析这些过程以获得对炭化过程全面的认识[3-4]。
Lovell等[5-6]单从化学角度研究了热固性树脂的化学热分解动力学。Sandhu等[7-8]给出了一种有效的方法研究树脂炭化过程中失重的动力学和挥发性气体组分。Nam等[9-11]考虑传热传质方程得到了树脂热分解失重动力学。Aoki等[12-13]将应力应变的产生机制和裂纹的评估考虑到模型中，以研究炭化过程中的变形问题。Kim等[4]综合考虑了传热传质以及应力应变得到了一个综合性的炭化模型，但是模型过于简单，没有涉及到模型中的耦合关系。
本文在前人基础上，考虑到实际的求解需求，推
收稿日期：2015-0415
作者简介：苏小虎，1989年出生，硕士，主要从事C/C复合材料炭化模拟研究工作。E-mail；mikesue@163.com
宇航材料工艺万方数据
http://www.yhclgy.com
2015年第5期
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