Analysis of rapid chemical vapor infiltration process for the production of c/c brake discs

In this thesis work is discussed the analysis of rapid Chemical Vapor Infiltration (r-CVI) process for the densification of carbon-carbon (C/C) brake discs. In this process a gaseous stream of methane flows over and around some disc-shaped preforms which are stacked inside a reactor kept at high temperature (1100°C) and low-pressure conditions (few kPa) for the whole processing time. Densification occurs thanks to the physical-chemical interactions between the gaseous stream and the preforms porous substrate. The products of methane pyrolysis, mainly polycyclic aromatic hydrocarbons, react on the fibers surface: in this way the solid deposition of pyrolytic carbon occurs over time and the synthesis of carbon-carbon C/C composites disc is performed. CVI process is characterized by homogeneous gas phase reactions (pyrolysis) and heterogeneous surface reactions (deposition of carbon); both occur at a large range of spatial and temporal scales. The pyrolysis reactions occur rapidly (on the order of ms) in the gas phase and the hydrocarbon molecules diffuse into the porous carbon fiber substrate where the much slower heterogeneous deposition (on the order of tens of hours) reactions occur. To properly model this process, a partial decoupling of the system is required. The analysis of this peculiar process is carried out both from a numerical and an experimental approach. The analysis is fistly carried out considering the whole HTS industrial reactor as control volume with STAR-CCM+ for the simulations of pyrolysis reactions around the preforms; while the densification process in each disk is consequentially calculated with CVISMOKE++. The disparate time scales allow the gas and solid phases to be decoupled and solved sequentially. Pyrolysis occurs much more rapidly than deposition and so the gas phase can be approximated at pseudo-steady state with respect to the solid phase. The gas phase is therefore modelled first via the solution of the conservation equations of mass, momentum, species, and energy with an appropriate industrial CFD solver. The steady-state solution, which neglected the heterogeneous reactions, provides the necessary boundary conditions to solve the evolution of the solid phase in each disk. The surface deposition and densification reactions are then solved utilizing the boundary conditions provided by the gas phase CFD via a fully coupled approach. r-CVI reduce the processing time and therefore speed up the synthesis of C/C composites thanks to the specific design of the reactor and through a proper choice of the best operating conditions of temperature provided by the graphite heating bars, pressure of the reactor, and flow rate of the gaseous stream. For a complete optimization of the process from the experimental point of view, further studies about the structure of the carbon fiber preforms substrate should be performed. Numerically the further works will aim to the reduction of the total computational time for a feasible prediction of the process.

In questo lavoro di tesi viene discussa l'analisi del processo di Rapid Chemical Vapor Infiltration (r-CVI) per la densificazione di dischi freno carbonio-carbonio (C/C). In questo processo una corrente gassosa di metano scorre sopra e attorno ad alcune preforme discoidali che vengono impilate all'interno di un reattore mantenuto ad alta temperatura (1100°C) e condizioni di bassa pressione (pochi kPa) per tutto il tempo di lavorazione. La densificazione avviene grazie alle interazioni fisico-chimiche tra la corrente gassosa e il substrato poroso delle preforme. I prodotti della pirolisi del metano, principalmente idrocarburi policiclici aromatici, reagiscono sulla superficie delle fibre: in questo modo avviene nel tempo la deposizione solida di carbonio pirolitico e si realizza la sintesi del disco di compositi C/C carbonio-carbonio. Il processo CVI è caratterizzato da reazioni in fase gassosa omogenee (pirolisi) e reazioni superficiali eterogenee (deposizione di carbonio); entrambi si verificano in una vasta gamma di scale spaziali e temporali. Le reazioni di pirolisi avvengono rapidamente (dell'ordine di ms) in fase gassosa e le molecole di idrocarburi si diffondono nel substrato poroso di fibra di carbonio dove avvengono le reazioni di deposizione eterogenea molto più lente (dell'ordine delle decine di ore). Per modellare correttamente questo processo, è necessario un disaccoppiamento parziale del sistema. L'analisi di questo peculiare processo è condotta sia da un approccio numerico che sperimentale. L'analisi viene prima effettuata considerando l'intero reattore industriale HTS come volume di controllo con STAR-CCM+ per le simulazioni di reazioni di pirolisi attorno alle preforme; mentre il processo di densificazione in ogni disco viene conseguentemente calcolato con CVISMOKE++. Le diverse scale temporali consentono di disaccoppiare e risolvere sequenzialmente le fasi gassosa e solida. La pirolisi avviene molto più rapidamente della deposizione e quindi la fase gassosa può essere approssimata allo stato pseudo-stazionario rispetto alla fase solida. La fase gassosa viene quindi modellata prima tramite la soluzione delle equazioni di conservazione di massa, quantità di moto, specie ed energia con un appropriato solutore CFD industriale. La soluzione in regime stazionario, che ha trascurato le reazioni eterogenee, fornisce le condizioni al contorno necessarie per risolvere l'evoluzione della fase solida in ciascun disco. Le reazioni di deposizione superficiale e densificazione vengono quindi risolte utilizzando le condizioni al contorno fornite dalla CFD in fase gassosa tramite un approccio completamente accoppiato. r-CVI riduce i tempi di lavorazione e quindi velocizza la sintesi dei compositi C/C grazie alla specifica progettazione del reattore e attraverso un'opportuna scelta delle migliori condizioni operative di temperatura fornite dalle barre riscaldanti in grafite, pressione del reattore, e la portata del flusso gassoso. Per una completa ottimizzazione del processo dal punto di vista sperimentale, dovrebbero essere eseguiti ulteriori studi sulla struttura del substrato delle preforme in fibra di carbonio. Numericamente gli ulteriori lavori mireranno alla riduzione del tempo computazionale totale per una previsione fattibile del processo.