Chemical vapour infiltration: numerical modelling of an industrial reactor for the production of carbon disk brakes

Chemical Vapour Infiltration (CVI) is one of the techniques used to produce carboncarbon composites. In this process, a carbon fibre porous substrate, called preform, is densified thanks to the deposition on its surface of several chemical species coming from a gaseous precursor. The CVI is characterized by a double nature, in which the homogeneous pyrolysis of the gas and the heterogeneous reactions on the surface of the preform coexist. These features translate in a complex phenomenon to model from a mathematical standpoint. Amongst the applications of the CVI, this thesis centres on the production of disks for braking systems and it is part of a multi-years collaboration between Brembo S.p.A., world leader in this field, and Politecnico di Milano. The aim is to continue the refinement work of the preexisting mathematical model, investigating, through sensitivity analyses, different parameters that can influence it. In particular, the focus is set on the models used until now to describe the porous medium of the preform and on the heterogeneous kinetic mechanism. In the first case we found that those models could play a role in defining the characteristics of the final product, while, as for the kinetic mechanism, the results obtained do not yet allow to draw definitive conclusions about its impact. A general assessment of the complete mathematical model is also carried out thanks to the simulation of an industrial reactor used by Brembo S.p.A. in its production plant. The comparison between the experimental data and the simulated one shows that, even if the model broadly describes the phenomenon correctly, more work should be done, to intercept the real densification curves.

La Chemical Vapour Infiltration (CVI) è una delle tecniche utilizzate per produrre compositi carbonio-carbonio. In questo processo, un substrato poroso in fibra di carbonio, chiamato preforma, viene densificato grazie alla deposizione sulla sua superficie di differenti specie chimiche provenienti da un precursore gassoso. La CVI è caratterizzata da una doppia natura, in cui coesistono la pirolisi omogenea del gas e le reazioni eterogenee di densificazione sulla superficie della preforma. Queste caratteristiche si traducono in un fenomeno particolarmente complesso da modellare da un punto di vista matematico. Tra le applicazioni della CVI, questo lavoro è incentrato sulla produzione di dischi per sistemi frenanti e si inserisce in una collaborazione pluriennale tra Brembo S.p.A., leader mondiale in questo settore, e il Politecnico di Milano. L’obiettivo è quello di continuare l’affinamento del modello matematico sviluppato nel corso degli anni, indagando, attraverso analisi di sensitività, diversi parametri che possono influenzarlo. In particolare, l’attenzione si è rivolta ai modelli finora utilizzati per descrivere il mezzo poroso della preforma e al meccanismo cinetico eterogeneo. Nel primo caso si è riscontrato che tali modelli potrebbero effettivamente svolgere un ruolo nella definizione delle caratteristiche del prodotto finale, mentre, per quanto riguarda il meccanismo cinetico, i risultati trovati non consentono ancora di trarre conclusioni definitive sul suo impatto. In questa tesi viene anche portata a termine una valutazione generale del modello matematico completo grazie alla simulazione di un reattore utilizzato da Brembo S.p.A. nel proprio impianto produttivo. Il confronto tra i dati sperimentali e quelli simulati mostra che, sebbene il modello descriva correttamente il fenomeno a grandi linee, ulteriori studi sono necessari per intercettare le curve di densificazione reali.