F. Nenciati,, E. Origgi, A. Lazzeri

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1 Analisi termica ed elettromagnetica di un impianto pilota per la produzione di materiali compositi a matrice ceramica mediante il processo di Chemical Vapour Infiltration con riscaldamento a microonde (MWCVI) F. Nenciati,, E. Origgi, A. Lazzeri Università di Pisa - Polo Tecnologico Magona I Convegno MISA - Cetara (SA) - 8 novembre 2002

2 MATERIALI COMPOSITI A MATRICE CERAMICA VANTAGGI E PRESTAZIONI CAMPI APPLICATIVI buona resistenza ad alta temperatura basso coefficiente di espansione termica buona conducibilità termica buona resistenza all usura, all impatto e agli shock termici bassa densità alta rigidezza durezza inerzia chimica combustori per turbine a gas filtri per gas ad alta temperatura freni per treni ad alta velocità freni per aerei veicoli aerospaziali

3 MATERIALI COMPOSITI A MATRICE CERAMICA Il settore spazio è comunque un banco di prova severo per l affidabilità di questi materiali. L ambiente incontrato nelle condizioni di lancio, in orbita e nella fase di rientro è caratterizzato da temperature estreme (da 250 C a C) e ciò in presenza di carichi aerodinamici, vibrazioni acustiche ed interazioni con gas estremamente aggressivi.

4 CVI - Introduzione Il processo Chemical Vapour Infiltration (CVI) è uno dei più promettenti metodi per la produzione di materiali ceramici compositi (CMC) Si basa sull'infiltrazione di una preforma fibrosa riscaldata con un gas reattivo che decompone formando la matrice ceramica sulle fibre.

5 MATERIALI COMPOSITI A MATRICE CERAMICA Materiale composito a matrice ceramica SiC/SiC INFILTRAZIONE IN FASE VAPORE (CVI) Gas precursore: Metiltriclorosilano (MTS) CH 3 SiCl 3 Condizioni operative: Temperatura: C Pressione: kpa CH 3 SiCl 3 (g) SiC(s) +3 HCl(g)

6 Vantaggi del processo CVI Buone proprietà meccaniche ad alta temperatura possibilità di produrre pezzi di notevoli dimensioni, con forme complesse considerevole flessibilità per i tipi di fibre e matrici che si possono usare

7 Svantaggi del processo CVI Nel processo CVI convenzionale durante la deposizione si ha la chiusura dei pori superficiali con l intrappolamento di porosità che diventa inaccessibile al gas Questa porosità residua limita fortemente le proprietà meccaniche del composito. Per limitare questo fenomeno è necessario operare a temperature relativamente basse con la conseguenza che il processo è estremamente lento (3-4 cicli da ore) e costoso.

8 Principio del processo MWCVI L idea fondamentale del processo MWCVI è di riscaldare le preforme fibrose attraverso le microonde. Il vantaggio principale è che il riscaldamento è di tipo volumetrico e provoca la formazione di un profilo inverso di temperatura nella preforma. La deposizione della matrice avviene preferenzialmente al centro del pezzo, che à più caldo e, in questo modo, si evita la chiusura dei pori superficiali. La velocità di deposizione è più alta e il processo è molto più veloce ed economico

9 Schema dell impianto pilota MWCVI H 2 Ar MFC Gorgogliatore MTS Generatore di Microonde Reattore MWCVI All'atmosfera Pompa Sistema di abbattimento Controllo di Temperatura

10 Schema del reattore MWCVI

11 IL REATTORE MWCVI Sala controllo Reattore MWCVI

12 Interfaccia del sistema di controllo

13 Rivestimento refrattario del reattore

14 Campioni di SiC riscaldati a microonde

15 Principali problemi affrontati nel progetto MWCVI Sviluppo e realizzazione di un impianto pilota MWCVI. Misura della temperatura in ambiente a microonde. Controllo della potenza del magnetron con loop di feedback sulla temperatura del pezzo. Compatibilità dei materiali isolanti con la presenza di microonde all interno del reattore. Abbattimento dei sottoprodotti e riciclo del precursore non reagito.

16 Obiettivo del lavoro Modellazione del reattore sia dal punto di vista termico che elettromagnetico.

17 MODELLAZIONE Scopi: Prevedere il profilo di temperatura all interno del reattore MWCVI Calcolare le temperature medie delle zone in cui è stato suddiviso l isolante in modo da ricavare le opportune proprietà dielettriche Verificare che all interno del reattore MWCVI non siano presenti onde elettromagnetiche stazionarie Verificare che il materiale refrattario scelto sia idoneo cioè non subisca un eccessivo riscaldamento. Verificare che il campo elettromagnetico all interno delle preforme fibrose di SiC sia uniforme. Verificare l efficienza dell agitatore di modi (mode stirrer)

18 MODELLAZIONE Per la modellazione si sono usati due software commerciali che sfruttano l analisi agli elementi finiti: Abaqus per la modellazione termica Ansoft HFSS per la modellazione elettromagnetica Dato che il software Ansoft HFSS lavora in stazionario per quanto riguarda le temperature, si è resa necessaria: la compilazione di due programmi in linguaggio Fortran per l interfacciamento dei due software; la suddivisione dell isolante in zone limitate in modo da calcolare le opportune proprietà dielettriche;

19 PROCEDIMENTO Abaqus Temperature medie.exe Ansoft HFSS Temperature dei nodi Inserire le temperature trovate in ANSOFT HFSS in modo da calcolare proprietà dielettriche del materiale alle temperature di lavoro. Campo elettrico Analisi.exe Scrive il nuovo file d ingresso ad Abaqus associando ad ogni nodo il relativo flusso di calore dovuto al campo elettrico

20 MODELLAZIONE TERMICA

21 MODELLAZIONE TERMICA Risultati: Solo Con riscaldamento irraggiamento a microonde Inizio Gradi 0 Gradi 30 Gradi 60 Castello C C C C Isolante zona C C C C Isolante zona C C C C Isolante zona C 35.7 C 35.7 C 35.7 C Isolante zona C 34.7 C 34.7 C 34.7 C Isolante zona C 52.8 C 52.9 C 52.8 C Isolante zona C 24.3 C 24.3 C 24.3 C Isolante zona C 41.3 C 41.3 C 41.3 C Isolante zona C 28.1 C 28.1 C 28.0 C Isolante zona C 22.1 C 22.1 C 22.1 C Isolante zona C 77.1 C 77.1 C 77.0 C Isolante zona C C C C Isolante zona C C C C Il sistema modellato è termicamente stabile.

22 MODELLAZIONE ELETTROMAGNETICA Z=-290 mm campo elettrico [V/m] nodo 17 nodo 18 nodo 19 nodo 21 nodo angolo MS Andamento del campo elettrico nei provini a Z=-290 mm al variare dell angolo del mode stirrer. I nodi presi in considerazione hanno un E medio pari a V/m

23 MODELLAZIONE ELETTROMAGNETICA Z=-330 mm campo elettrico nodo 6 nodo 7 nodo 8 nodo 10 nodo angolo MS Andamento del campo elettrico nei provini a Z=-330 mm al variare dell angolo del mode stirrer. I nodi presi in considerazione hanno un E medio pari a 3321 V/m

24 MODELLAZIONE ELETTROMAGNETICA Variazione del campo elettrico nei provini al variare dell angolo del mode stirrer Z=-330 mm E medio 3321 [V/m] Variazione del campo elettrico nei provini al variare dell angolo del mode stirrer Z=-290 mm E medio 815 [V/m]

25 MODELLAZIONE ELETTROMAGNETICA Variazione del campo elettrico nell isolante al variare dell angolo del mode stirrer

26 MODELLAZIONE ELETTROMAGNETICA E RISULTATI SPERIMENTALI Coefficiente di riflessione S = 11 b a 1 1 Rhode&Scharz Vector Network Analyzer

27 MODELLAZIONE ELETTROMAGNETICA E RISULTATI SPERIMENTALI gradi 0 1 0,9 0,8 39% 0,7 S11 0,6 0,5 0,4 0,3 50% hfss NA senza alette NA con alette 0,2 0,1 78% 0 2,44 2,442 2,444 2,446 2,448 2,45 2,452 2,454 2,456 2,458 2,46 frequenza [GHz]

28 MODELLAZIONE ELETTROMAGNETICA E RISULTATI SPERIMENTALI gradi ,9 0,8 0,7 42% S11 0,6 0,5 0,4 47% hfss NA senza alette NA con alette 0,3 0,2 85% 0,1 0 2,44 2,442 2,444 2,446 2,448 2,45 2,452 2,454 2,456 2,458 2,46 frequenza [GHz]

29 MODELLAZIONE ELETTROMAGNETICA E RISULTATI SPERIMENTALI gradi 60 0,8 0,7 0,6 0,5 57% S11 0,4 64% hfss NA senza alette NA con alette 0,3 0,2 69% 0,1 0 2,44 2,442 2,444 2,446 2,448 2,45 2,452 2,454 2,456 2,458 2,46 frequenza [GHz]

30 MODELLAZIONE ELETTROMAGNETICA HFSS Mode stirrer ideale Mode stirrer reale Gradi 0 39% 50% 78% Gradi 30 47% 42% 85% Gradi 60 57% 64% 69% Necessità del mode stirrer di forma più irregolare possibile in modo da alterare continuamente il campo elettrico evitando onde stazionarie

31 CONCLUSIONI Campo elettrico all interno dell isolante produce un riscaldamento trascurabile Le alte temperature dell isolante sono dovute esclusivamente all irraggiamento emanato dalle preforme di SiC Il materiale refrattario scelto è idoneo allo scopo Campo elettrico costante all interno dei provini Riscaldamento uniforme Deposizione MTS uniforme sul volume di fibre di ogni provino Assorbimento delle microonde migliora con l impiego del mode stirrer Migliore utilizzo dell energia delle microonde e dell efficienza del processo Necessità dell impiego del mode stirrer

32 SVILUPPI FUTURI Conclusa la messa a punto termofluidodinamica ed elettromagnetica del reattore MWCVI Produzione del materiale ceramico SiC/SiC Caratterizzazione meccanica e chimico-fisica del materiale composito prodotto