Аннотация. В работе представлены методики расчета геометрических параметров эволюционирующей пористой среды композиционных материалов (КМ), получаемых с помощью различных газофазных технологий, с наиболее часто встречающимися пространственными и хаотично-армиро-ванными структурами. Проведен аналитический расчет геометрических параметров пористой среды как для пространственно-ориентированных структур, состоящих из непрерывных волокнистых элементов, идеализированных в виде цилиндрических прямолинейных стержней (или пучков волокон) круглого сечения, так и для хаотично-армированных композитов на базе дискретных волокнистых наполнителей. При этом хаотичная структура такой пористой среды может быть аппроксимирована в виде некоторой регулярной структуры, образованной системой также цилиндрических стержней. Предложены модели пористых преформ (ориентированных и хаотично-армированных) и композитов на их основе, а также методики описания структуры КМ при моделировании газофазного насыщения волокнистого каркаса для материалов с углеродной и керамической матрицами. Для рассмотренных структур были определены основные параметры эволюционирующей пористой среды, такие как начальные, текущие и предельные значения пористости, удельной поверхности пористой среды, радиусов волокнистого армирующего элемента. Представленные методики расчета пористой среды могут рассматриваться как элементы описания начальной, текущей и конечной структуры КМ при разработке расчетных программ по моделированию процессов изотермического и термоградиентного методов газофазного насыщения матричным материалом волокнистых каркасов при получении композиционных материалов с углеродной и керамической матрицами минимальной или заданной пористости. Данная методика может быть использована как один из расчетных элементов при моделировании и определении значений теплопроводности рассматриваемых структур. Кроме того, расчет начальных значений пористости рассматриваемых структур может быть также использован при оптимизации технологических процессов получения изделий из КМ на основе пористых преформ методами жидкофазной пропитки.

Ключевые слова: многонаправленный композиционный материал, хаотично-армированный композиционный материал, моделирование пористой среды 

Для цитирования: Нилов А. С., Буторина И. А., Мохова Е. А. Расчетное определение параметров эволюционирующих пористых сред композиционных материалов пространственной и хаотично-армированной структуры // Аэрокосмическая техника и технологии. 2026. Т. 4, № 2. С. 250–263. https://doi.org/10.52467/2949-401X-2026-4-2-250-263; https://elibrary.ru/hqgnms

Библиографический список

1. Нилов А. С., Буторина И. А., Мохова Е. А. Методика расчета эволюционирующих пористых сред композиционных материалов однонаправленной структуры // Аэрокосмическая техника и технологии. 2025. Т. 3, № 4. С. 654–671. https://doi.org/10.52467/2949-401X-2025-3-4-654-671
2. Hanbook of Ceramic Composites; ed. by P. Narottam. Bansal. Boston, Dordrecht, London : Kluver Academic Publishers, 2005. 554 р.
3. Гаршин А. П. Кулик В. И., Матвеев С. А., Нилов А. С. Современные технологии получения волокнисто-армированных композиционных материалов с керамической огнеупорной матрицей // Новые огнеупоры. 2017. № 4. С. 20–35. https://doi.org/10.17073/1683-4518-2017-4-20-35
4. Besmann T. M., Sheldon B. W., Lowden R. A., Stinton D. P. Vapor-phase fabrication and properties of continuous-filament ceramic composites // Science. 1991. Vol. 253. Рp. 1104–1109. https://doi.org/10.1126/science.253.5024.1104
5. Kulik V. I., Kulik A. V., Ramm M. S., Makarov Yu. N. Modeling of SiC-Matrix composite formation by isothermal chemical vapour infiltration // Journal of Crystal Growth. 2004. Vol. 266. Pp. 333–339. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2004.02.063
6. Кулик В. И., Кулик А. В. Концепция описания эволюции пористых сред в многостадийных процессах их уплотнения углеграфитовыми и керамическими материалами // Сборник докладов Международного симпозиума «Инженерия поверхности. Новые порошковые композиционные материалы. Сварка». (23–25 марта 2011 г.). Минск: Институт порошковой металлургии ГНПО ПМ НАН Беларуси, 2011. № 1. С.173–181.
7. Костиков В. И., Варенков А. Н. Сверхвысокотемпературные композиционные материалы. М.: Инжиниринг, 2003. 560 с.
8. Малько Д. Б., Островский В. С. Особенности пористой структуры углерод-углеродных композиционных материалов // Механика композиционных материалов и конструкций. 1997. Т. 3, № 4. С. 29–35. https://elibrary.ru/PBCFTR
9. Малько Д. Б., Островский В. С. Параметры пористой структуры армирующих каркасов композиционных материалов на основе цилиндрических стержней // Механика композиционных материалов иконструкций. 1998. Т. 4, № 3. С. 86–91. https://elibrary.ru/MTBUCF
10. Богачев Е. А., Кулик В. И., Кулик А. В., Нилов А. С. Исследование газофазных процессов получения волокнисто-армированных органоморфных керамических композитов с SiC-матрицей // Новые огнеупоры. 2020. № 8. С. 23–30. https://doi.org/10.17073/1683-4518-2020-8-23-30
11. Tago T., Kawase M., Ikuta Y., Hashimoto K. Numerical Simulation of the Thermal-gradient Chemical Vapor Infiltration Process for Production of Fiber-Reinforced Ceramic Composite // Chemical Engineering Science. 2001. Vol. 56, no. 6, рp. 2161–2170. https://doi.org/10.1016/S0009-2509(00)00492-9
12. Lu J., Kan A., Zhu W., Yuan Y. Numerical investigation on effective thermal conductivity of fibrous porous medium under vacuum using Lattice-Boltzmann method // International Journal of Thermal Sciences. 2021. Vol. 160. 106682. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2020.106682
13. Zhou C., Li J., Yan D.,Zhao B., Zhou L. Experimental and numerical study on the effective thermal conductivity of carbon fibrous media for high temperature thermal insulation applications // Aerospace Science and Technology. 2025. Vol. 166. 110591. https://doi.org/10.1016/j.ast.2025.110591
14. Guan K., Wu J., Cheng L. Modeling of thermal conductivity of CVI-Densified composites at fiber and bundle level // Materials. 2016. Vol. 9, no.12, 1011 p. https://doi.org/10.3390/ma9121011
15. Zhilyaev I., Chang S. H., Shevtsov S., Snezhina N. Preform porosity and final thickness variability prediction after controlled post-infusion external pressure application with the FEA model // Journal of Composites Science. 2022. Vol. 6,no. 12: 361. 19 p. https://doi.org/10.3390/jcs6120361