Numerical modeling of laboratory scale and production scale reactors for the chemical vapor infiltration process

The Chemical Vapor Infiltration (CVI) is one of the leading techniques in the industry for the production of carbon-carbon composites, in particular for the production of braking systems components for aircrafts or high-performance vehicles. The synthesis takes place thanks to the accumulation onto porous preform matrices of pyrolytic carbon (pyrocarbon) derived from the heterogeneous deposition of gaseous light species at typically high temperature and low pressure. These species are in turn produced by pyrolysis reactions of some gaseous precursor that flows around the preforms, such as methane, ethane, propane or benzene. The aim of the process is to increase the density of these porous matrices, obtaining a carbon-based composite material that shows excellent mechanical and thermal properties. It is clear that two main phenomena occur inside this kind of systems: on one hand, the gaseous phase flow dynamics and pyrolysis reactions, and on the other hand, the diffusion, infiltration and eventual deposition of the pyrolysis products into the carbon matrices. These two phenomena take place at very different time scales and this allows to conceptually decouple them. This is of paramount importance in the modeling of these reactive systems as the mathematical and numerical description of the gaseous phase around the preforms and that of the pseudo-phase of the preforms themselves can be kept apart and treated independently. The present work is part of a long-term collaboration between Politecnico di Milano and Brembo S.p.A., a world leader company in the braking systems field. The aim of the whole project is to numerically model this densification process taking places into the reactors at Brembo S.p.A. in order to explore and assess alternative operating conditions and new geometrical layouts of the preforms in the reactors to optimize the densification process. In the past years several master theses focused on the numerical modeling of different densification reactors and their configurations have been produced by the students of Politecnico di Milano in this project’s context. The present thesis is focused on two task: on one hand, a sensitivity study on a laboratory scale reactor model and, on the other hand, the development of a model framework for a production scale reactor. Accordingly, the work is organized into two parts. In the first one, using a numerical model of a CVI laboratory scale reactor, a sensitivity analysis of the desired product quality on the composition of the gaseous medium has been performed. This completes a series of sensitivity analyses on several other operating parameters that were carried out in previous works. It has been found that the influence of the gaseous precursor composition on the preforms densification quality, in terms of final density and uniformity, is rather weak in the contemplated domain, which is representative of the real industrial practice. In the second and main part, a numerical model has been built for the newest and largest reactor installed at Brembo S.p.A. for the production of carbon-carbon composites disk brakes. This reactor is capable of carrying out the densification of more than a hundred preforms per batch. Starting from the drawings, a CAD model of the system has been built and then used for its numerical modeling. As discussed above, gas- and solid-phase simulations have been decoupled thanks to the large difference between the time scales at which their respective phenomena occur. Experimental data provided by Brembo S.p.A. have been used to assess the quality of the numerical model. In fact, it was iteratively improved removing several initial simplifying hypotheses that have not proven satisfactory.

La Chemical Vapor Infiltration (CVI) è una delle principali tecniche industriali per la produzione di materiali compositi carbonio-carbonio e in particolare per la produzione di componenti di sistemi frenanti, sia per aeromobili che per automobili ad elevate prestazioni. La sintesi avviene grazie all’accumulo di carbonio pirolitico all’interno di matrici porose, dette preforme. Questo è prodotto dalla deposizione eterogenea di specie gassose leggere, tipicamente a temperature elevate e pressioni ridotte. Queste specie sono a loro volta prodotte dalle reazioni di pirolisi di un precursore gassoso - come metano, etano, propano o benzene - che è fatto fluire attorno alle preforme. L’obiettivo del processo è aumentare la densità di queste preforme porose allo scopo di ottenere un materiale composito a base di carbonio con ottime proprietà meccaniche e termiche. È chiaro che si possono isolare due principali fenomeni all’interno di sistemi di questo tipo: la dinamica e reattività della fase gassosa da una parte e la diffusione, infiltrazione e deposizione dei prodotti di pirolisi all’interno delle preforme carboniose dall’altra. Questi due fenomeni avvengono a scale temporali molto differenti e questo ne permette un disaccoppiamento concettuale. Ciò è di particolare rilevanza in fase di modellazione del sistema in quanto la descrizione matematica e numerica della fase gassosa, esterna alle preforme, e quella della pseudo-fase delle preforme stesse posso essere tenute distinte e trattate indipendentemente. Il presente lavoro è parte di una collaborazione a lungo termine fra Politecnico di Milano e Brembo S.p.A., una compagnia fra i leader mondiali nel settore della produzione di sistemi frenanti. L’obiettivo del progetto è modellare numericamente i reattori utilizzati da Brembo S.p.A. per questo processo di densificazione allo scopo di esplorare e valutare nuove condizioni operative e configurazioni dei reattori per ottimizzare il processo nel suo complesso. Negli anni scorsi, sono stati prodotti dagli studenti del Politecnico di Milano, in questo contesto, diversi lavori di tesi magistrale incentrati sulla modellazione di diversi reattori e loro configurazioni. Questa tesi è incentrata su due attività: uno studio di sensitività su un modello di un reattore da laboratorio da una parte e, dall’altra, lo sviluppo di un modello numerico per un reattore industriale impiegato nella produzione. Il lavoro è strutturato in due parti. Nella prima, utilizzando un modello numerico di un reattore da laboratorio per il processo di CVI, è stata svolta un’analisi di sensitività della qualità del prodotto desiderato alla composizione del precursore gassoso. Ciò completa una gamma di analisi di sensitività a diversi altri parametri operativi svolte sullo stesso modello in precedenti lavori. È stato osservato che l’influenza dalla composizione del precursore gassoso sulla qualità della densificazione, in termini di densità finale e uniformità, è piuttosto blanda nel campo indagato, rappresentativo della pratica industriale. Nella seconda parte, quella principale, è stato costruito un modello numerico per il reattore più nuovo e capiente recentemente installato da Brembo S.p.A. per la produzione di dischi per freni in composito carbonio-carbonio. Questo reattore è progettato per gestire la densificazione di più di un centinaio di preforme pre ciclo. Partendo dai disegni, è stato costruito un modello CAD del sistema in questione, utilizzato poi per la descrizione numerica. In linea con quanto discusso sopra, le simulazioni della fase gassosa e di quella solida sono state disaccoppiate grazie all’ampia differenza fra le scali temporali a cui avvengono i fenomeni nelle due. Dati sperimentali forniti da Brembo S.p.A. sono stati utilizzati per il raffronto con la descrizione numerica del reattore; in questo modo, allo scopo di avere un modello il più rappresentativo possibile della realtà, sono state iterativamente rimosse varie semplificazioni inizialmente utilizzate nel modello.