Numerical modelling of chemical vapour infiltration process for densification of disk brakes

Synthesis of carbon-carbon composites is performed by the deposition of pyrolytic carbon that derives from the pyrolysis of a gaseous hydrocarbon in a preform made of carbon fibers. This process is called chemical vapour deposition (CVD) or chemical vapour infiltration (CVI) if it occurs on a porous substrate. The aim of the present work is to propose and validate a mathematical model able to represent the industrial CVI process of carbon disks brakes. The system is modelled by adopting a partial decoupling between gas phase and densification process, due to the wide ranges of the temporal scale. The following step is a sensitivity analysis on gas phase variables and substrate parameters to identify the ones that most affect the densification process. The model is tested using three systems at different level of complexity: a simplified system simulated with a mono-dimensional geometry and two reactors used in Brembo SpA (a laboratory scale reactor and an industrial scale reactor). First two systems are also used to test the reliability of the kinetic mechanism. Considered kinetic mechanisms are the lumped kinetic mechanism proposed by Huttinger and the POLIMI detailed kinetic mechanism. The validation of the proposed methodology was performed with experimental data present in literature and two sets of experimental data available for the two configurations of CVI reactors. The good agreement between simulated and experimental data is shown through the analysis carried out on the simplified system. The correspondence between Brembo SpA experimental data and our results further validates the proposed model. Moreover, extensive sensitivity analyses were carried out varying temperature, pressure, substrate initial composition and radius of the carbon fiber. It was shown that temperature and fiber radius are the ones which most influence the densification process.

La sintesi di materiali compositi è spesso effettuata mediante il deposito di carbonio derivante dalla pirolisi di idrocarburi leggeri gassosi su fibre di carbonio. Questo processo è chiamato CVD (chemical vapour deposition) o CVI (chemical vapour infiltration) nel caso di substrato poroso. Lo scopo di questo lavoro è quello di proporre e convalidare un modello matematico in grado di rappresentare il processo industriale CVI per la produzione di dischi dei freni. Il sistema è stato modellato adottando una parziale disaccoppiamento tra la fase gas e il processo di densificazione a causa dei diversi tempi caratteristici. Il passo successivo è una analisi di sensitività sulle principali variabili della fase gas e sui parametri del substrato poroso, al fine di identificare quelli più sensitivi nei confronti del processo di densificazione. Il modello è stato testato a tre diversi livelli di complessità, partendo da un sistema semplificato con una geometria modo-dimensionale e passando ai reattori utilizzati in Brembo SpA, sia alla scala di laboratorio che a quella industriale. I primi due sistemi sono stati inoltre utilizzati per testare il meccanismo cinetico. I meccanismi considerati sono il meccanismo cinetico lumped proposto da Huttinger e il meccanismo cinetico dettagliato POLIMI. La metodologia proposta è stata convalidata per mezzo di un confronto con dati sperimentali presenti in letteratura e con due serie di dati sperimentali disponibili per le due configurazioni di reattore CVI. Dalle analisi condotte sul sistema semplificato si evince una buona corrispondenza tra dati simulati e dati sperimentali. La corrispondenza tra i risultati delle simulazioni sui due reattori della Brembo SpA e i dati sperimentali degli stessi convalidano ulteriormente il modello matematico proposto. Inoltre, è stata condotta un’analisi di sensitività variando temperatura, pressione, composizione iniziale del substrato e raggio della fibra. Dall’analisi di sensitività condotta, si evince che temperatura e raggio della fibra sono le due variabili che influenzano maggiormente il processo di densificazione.