Numerical modeling of liquid-phase infiltration in the process of sintering ceramic composites

Research and applications of additive manufacturing technology of SiC ceramics

“…(1) 反应烧结熔渗过程的仿真模拟. 将熔融硅渗透到 SiC 多孔坯体结构中的 LSI 工 艺是生产陶瓷最常见的后处理技术之一。然而，由于反应烧结熔渗过程涉及到温度、流 动、传热和化学反应等诸多因素，尽管经过几十年的发展，熔融硅的渗透行为仍未得到 充分理解，采用模拟仿真手段可以对复杂的反应过程进行模拟，对实验过程进行预测。 Dutka 等人 [84] 提出了陶瓷材料多孔预制件在烧结过程中的熔渗数值模型，将有限元方法 和稳定的隐式有限差分时间格式应用于 Richards 方程的离散化，该研究为液体硅渗入 复杂几何形状的多孔碳化硅预制件的计算机建模提供了一些指导。 Hofbauer 等人 [85] 建立 了 LSI 熔渗过程的数值模型，该模型能够在合理的计算机时间内优化含有复杂成分的熔 体浸渗过程，同时使用一个特殊的测量炉对模型进行验证，为三维模拟熔渗动力学和热 过程提供了指导。 (2) CVI 化学气相渗透的仿真模拟. 除 LSI 工艺， CVI 工艺可精细控制 SiC 陶瓷构件 薄膜厚度，使复合材料具有优异的性能，其过程模拟相应的动力学参数同时受到流体动 力学、原料气体组成和温度分布的影响，同样较为复杂，目前对此的相关研究报道还较 少。Guan 等人 [86] 结合气相和表面动力学建立了建立一个完整的二维综合输运模型来模 拟 CVI 垂直管式反应器中的速度、温度和浓度分布，提出的仿真策略可用于不同的材料 系统。Allendorf 等人 [87] 提出了一个描述相互作用的气相、表面化学和流体动力学反应堆 模型，探究了流动和温度对沉积速率、均匀性和膜组成的影响。Jong 等人 [88] 和断裂韧性测试等实验手段是评测碳化硅构件力学强度和韧性最常用的方法之一 [13,14,89] ， 针对碳化硅点阵结构，研究人员通过单轴压缩试验，充分地分析了影响点阵结构力学性 能的一些因素，如孔隙率 [27] 和单胞结构 [34] 等。张斗团队 [27] 采用 DIW-PIP 工艺结合法制 备了 SiC 基陶瓷桁架点阵结构，发现结构中相互连通的孔隙提高了界面结合强度，从而 提高了 SiC 组分的机械强度。成夙团队 [34] 通过 SLS 结合 PIP 制备碳化硅颗粒/碳化硅 (SiCp/SiC)点阵结构，研究发现点阵结构的力学性能随倾斜支撑角度的增加而提高。 除传统常见的实验方法外，近年来，研究人员重视结合有限元手段测评碳化硅构件力学 性能。D'Angelo 等人 [90] 采用有限元分析来研究 SiC 陶瓷多孔结构的形态特征对其压缩 力学性能的影响，结果表明采用适当和特定加工参数可在给定的总孔隙率值下制备具有 更高强度的陶瓷多孔结构。Chen 等人 [91] 采用实验与有限元模拟对比的方法研究了具有 不同倾角的 C/SiC 点阵夹芯板结构的压缩破坏行为。数值模拟结果表明，在弹性屈曲和 夹芯剪切屈曲后，层间脱层发生在面板和点阵夹芯之间的连接处。Liang 等人 [92] 研究了 SiC 空心点阵结构的力学性能，从有限元模拟计算的结果来看，三角形空心支杆存在应 力集中，在整个碳化硅结构中采用圆形空心支杆会具有较小的应力均匀分布，从而提高 了 SiC 空心点阵结构的力学性能。除常温力学性能外，陶瓷基复合材料的热稳定性也是 其工程应用的重要条件之一，Wen 等人 [93] 探究 SiC 构件在高温热冲击过程中的应力响 应和失效机制， 建立了 SiC 陶瓷材料有限元模型， 通过瞬态分析来分析热残余应力 (TRS) 和热冲击应力(TSS)。…”

Multi-physics modeling and simulations of reactive melt infiltration process used in fabrication of ceramic-matrix composites (CMCs)

“…Furthermore, a sensitivity analysis was conducted in order to demonstrate that the computational results are highly dependent on two model parameters: the pore neck diameter; and the thickness of the SiC layer covering preform-matrix carbon particles, the layer which acts as a barrier which must be surmounted for continuous progress of the chemical reaction between the molten silicon and carbonaceous matrix of the CMC preform. Dutka (2014) developed a general-purpose computational model for infiltration of porous media with a liquid infiltrant. The model is based on numerical solution of the Richards equation for unsaturated flow within a porous medium (Richards, 1931).…”

Numerical Simulation of Infiltration Behavior of ZTAP/HCCI Composites

“…Scholars at home and abroad have conducted a lot of research on infiltration behavior. V A. Dutka [15] proposed a numerical model for porous preforms that infiltrate ceramic materials during sintering. The mathematical model of infiltration is based on the Richards equation and Van Genuchten formula that describe the porous structure and permeability of a penetrant.…”