تجزیه و تحلیل چندفیزیکی مواد پیشرفته: کامپوزیت های ماتریس سرامیکی
امروز ما مفتخریم که جف کرامپتون، نویسنده مهمان از AltaSim Technologies را معرفی کنیم، که در مورد کامپوزیت های ماتریس سرامیکی و چگونگی تجزیه و تحلیل دقیق تولید چنین مواد پیشرفته ای بحث خواهد کرد.
کامپوزیت های زمینه سرامیکی (CMCs) به دلیل توانایی آنها در مقاومت در برابر دماهای بالا، خوردگی و سایش بهتر از اجزای فلزی، به سرعت در بسیاری از صنایع محبوب می شوند. آنها در کاربردهای فضایی، مشعل ها و محفظه های احتراق، توربین های گاز، دیسک های ترمز و یاتاقان های کشویی استفاده می شوند. ساخت CMC ها یک پدیده ذاتا پیچیده چندفیزیکی است. بنابراین، هر تحلیل محاسباتی دقیق باید فیزیک های متعددی را که به صورت کاملاً جفت شده عمل می کنند، در خود جای دهد. در این پست وبلاگ، من شما را با CMC های مبتنی بر کاربید سیلیکون آشنا می کنم و نمونه ای از نحوه جفت شدن فیزیک برای تجزیه و تحلیل فرآیند تولید آن را به شما نشان می دهم.
پس زمینه کامپوزیت های ماتریکس سرامیکی
در حال حاضر، دو روش در درجه اول برای تولید CMC های مبتنی بر کاربید سیلیکون استفاده می شود:
- نفوذ مذاب واکنشی (RMI)
- تزریق بخار شیمیایی (CVI)
RMI تولید نسبتاً سریع قطعات نزدیک به شبکه را فراهم می کند و بیشترین استفاده را دارد. در RMI، یک پیش فرم از یک محیط سرامیکی متخلخل ساخته می شود و مایع از طریق عمل مویرگی به پیش فرم نفوذ می کند. برای CMC های مورد علاقه فعلی، مایع به طور کلی به شکل سیلیکون مذاب است، بنابراین منجر به دمایی در طول تولید می شود که ممکن است از 1687 کلوین تجاوز کند. در طول نفوذ مایع، یک واکنش شیمیایی بین سیلیکون و شکل اولیه در عرض چند دقیقه از تماس مایع رخ می دهد. پیش فرم در حالت ایده آل، محصول نهایی به شکل پیش فرم با چگالی کامل و بدون تخلخل به خود می گیرد. علاوه بر این، الیاف کاربید سیلیکون به صورت پیشفرم بهعنوان لایههای الیاف جهت دار یا تشکهای الیاف بافته شده گنجانده شدهاند، همانطور که در شکل زیر مشاهده میکنید.
بنابراین، هر تحلیل محاسباتی فرآیند تولید RMI CMC باید شامل پدیده های زیر باشد:
- جریان سیال در یک ماتریس متخلخل
- مایع مویرگی از طریق منافذ به هم پیوسته جریان می یابد
- واکنش شیمیایی بین سیال جاری و ماتریس متخلخل
- تغییر حجم در اثر واکنش مایع-جامد
- گذرای حرارتی در حین نفوذ
- تکامل دما در انجماد و تغییرات فاز حالت جامد
- تنش پسماند و اعوجاج اجزا
فعل و انفعالات و وابستگیهای متقابل پیچیده بین پدیدههای فیزیکی متعددی رخ میدهد که چالشهای قابلتوجهی را در تحلیل ایجاد میکنند: جریان سیال غیراشباع در محیط متخلخل، تغییر شکل مواد و ثابتهای فیزیکی که وابسته به دما هستند، و انتقال مایع به جامد و تغییرات فاز حالت جامد که علاوه بر آن به عنوان منبع گرما عمل میکنند. به انرژی حرارتی مایع نفوذی.
نمونه ای از فیزیک جفت
تجزیه و تحلیل حرارتی فرآیند تولید RMI برای تولید CMC مستلزم گنجاندن اثرات حرارتی ناشی از:
- شار حرارتی ناشی از مایع در دماهای نزدیک به 1687 کلوین برای سیلیکون مایع
- گرمای نهان همجوشی در انجماد
- گرمای واکنش برای واکنش بین سیلیکون مایع و کربن برای تشکیل کاربید سیلیکون از پیش تشکیل می شود
این منابع حرارتی باید برای تامین:
- هدایت از طریق ماتریس
- همرفت در محیط اطراف
- همرفت در سیال نفوذی
- تابش به محیط اطراف
اثرات حرارتی ناشی از دمای مایع و تغییر فاز از مایع به جامد را می توان به راحتی در محاسبات استاندارد انتقال حرارت که با هدایت، همرفت و تشعشع سروکار دارد، گنجاند. انتقال حرارت از واکنش بین سیلیکون و کربن را می توان با استفاده از معادلات تعادل انرژی برای یک محیط متخلخل محاسبه کرد:
که در آن رویکردهای میانگین حجمی وجود مخلوطی از فازهای مایع و جامد را برای به دست آوردن رسانایی حرارتی معادل در نظر می گیرند.و ظرفیت گرمایی
برای ماتریس متخلخل
اثر مقدار گرمای واکنش بین سیلیکون و کربن بر روی توزیع دمای محلی جلوتر از جبهه واکنش در شکل زیر مشاهده میشود و با اندازهگیریهای تجربی انجام شده توسط Einset مقایسه شده است.
توزیع دمای پیشبینیشده برای مقادیر مختلف گرمای واکنش نشاندهنده
اثر تولید گرما ناشی از واکنش در مقایسه با اندازهگیریهای تجربی است.
تأثیر مقدار هدایت حرارتی بر توزیع دمای محلی جلوتر از جبهه واکنش در زیر مشاهده می شود:
توزیع دمای پیشبینیشده برای مقادیر مختلف هدایت حرارتی ماتریس
در مقایسه با اندازهگیریهای تجربی.
درباره نویسنده مهمان
جف کرامپتون، دکترا، بیش از 20 سال تجربه کار با تحلیل محاسباتی دارد. او به همراه کایل کوپنهوفر ۱۱ سال پیش AltaSim Technologies LLC را برای اجرای طراحی محصول جدید از طریق استفاده از ابزارهای محاسباتی پیشرفته راه اندازی کرد. برای تسهیل این هدف، AltaSim Technologies یکی از اعضای موسس برنامه مشاوران خبره COMSOL شد و همچنان در ارائه خدمات COMSOL به کسانی که علاقه مند به دریافت مزایای مدل سازی با COMSOL Multiphysics هستند، پیشرو است. علاوه بر وبلاگ نویسی مهمان برای COMSOL، AltaSim Technologies همچنین درباره مدل سازی چندفیزیکی در وب سایت خود وبلاگ می نویسد .
- لینک دانلود به صورت پارت های 1 گیگابایتی در فایل های ZIP ارائه شده است.
- در صورتی که به هر دلیل موفق به دانلود فایل مورد نظر نشدید به ما اطلاع دهید.
برای مشاهده لینک دانلود لطفا وارد حساب کاربری خود شوید!
وارد شویدپسورد فایل : پسورد ندارد گزارش خرابی لینک
دیدگاهتان را بنویسید