模具對熱固性樹脂基復(fù)合材料固化變形的影響.pdf

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1、62模具對熱固性樹脂基復(fù)合材料固化變形的影響2010年9月模具對熱固性樹脂基復(fù)合材料固化變形的影響岳廣全，張博明，杜善義，戴福洪(哈爾濱工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)研究所，哈爾濱150080)摘要：熱固性樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在熱壓罐成型過程中，由于模具的約束作用，導(dǎo)致構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力，進(jìn)而引起工件回彈變形和翹曲變形。綜述和分析了影響殘余應(yīng)力和變形產(chǎn)生的各種模具因素，包括模具熱傳導(dǎo)性能、模具線膨脹系數(shù)、模具表面處理、模具角半徑和模具的結(jié)構(gòu)形式。關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；固化；變形；模具中圖分類號：TU332文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003—0999(2010)05—0062—04復(fù)

2、合材料的構(gòu)件用專門設(shè)計(jì)制造的模具來使材熱壓罐壓力料的復(fù)合過程和構(gòu)件的成型過程同時完成。特別是熱壓罐成型工藝過程中模具是在較高溫度和較高壓力下與復(fù)合材料構(gòu)件一起放在真空熱壓罐中固化成型的。金屬模具的線膨脹系數(shù)大于復(fù)合材料構(gòu)件，熱壓罐壓力并且，在樹脂基體固化之前的工藝過程中，由于受熱壓罐內(nèi)壓力作用構(gòu)件緊貼模具，離模具最近的纖維承受拉應(yīng)力，然而由于復(fù)合材料構(gòu)件此時的剪切模量很低，在厚度方向構(gòu)件的應(yīng)力傳遞能力很差，因此在厚度方向會產(chǎn)生應(yīng)力梯度，如圖1所示。隨著固化工藝進(jìn)程的推進(jìn)，樹脂完全固化，沿厚度方向分布不均勻的應(yīng)力殘留在構(gòu)件內(nèi)，而固化結(jié)束后殘余應(yīng)圖1復(fù)合材料構(gòu)件與模具之間

3、的相互作用力得到釋放導(dǎo)致構(gòu)件產(chǎn)生變形。同時模具的導(dǎo)熱性(玻璃纖維和碳纖維樹脂復(fù)合材料)、硅橡膠模以及能及其結(jié)構(gòu)形式會影響與其直接接觸的復(fù)合材料構(gòu)陶瓷模等¨]。表1列出了幾種常用的模具材料的熱件固化溫度場的分布，而固化溫度場的分布情況又性能參數(shù)。不同模具材料對變形的影響體現(xiàn)在兩方會影響最終構(gòu)件內(nèi)殘余應(yīng)力的大小及分布。因此，面。一方面是不同的熱導(dǎo)率導(dǎo)致構(gòu)件表面的不同溫模具因素是產(chǎn)生復(fù)合材料固化殘余應(yīng)力和變形的主度分布，進(jìn)而引起不同的構(gòu)件變形；另外就是不同材要外部影響因素之一。料的熱膨脹系數(shù)不同，模具與構(gòu)件之間的相互作用根據(jù)模具影響固化變形的兩方面原因：模具與程度不一樣，因

4、此導(dǎo)致的工件變形不同。復(fù)合材料構(gòu)件之間的相互作用和模具影響構(gòu)件固化表1幾種模具材料的性能溫度場的分布，影響構(gòu)件固化變形的模具因素可概括為模具材料、模具表面情況及模具的結(jié)構(gòu)形式。本文就這三方面模具因素分別加以詳細(xì)討論及分析。1模具材料熱膨脹系數(shù)不匹配是導(dǎo)致模具與復(fù)合材料構(gòu)件復(fù)合材料成型工藝不同，相應(yīng)的成型模具材料之間相互作用而產(chǎn)生沿構(gòu)件厚度方向分布不均的殘種類也各異，如木模、石膏模、金屬模、復(fù)合材料模具余應(yīng)力的主要原因。如果模具的熱膨脹系數(shù)越接近收稿H期：2009-09-09作者簡介：岳廣全(1982一)，男，博士研究生，主要從事先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料成型工藝研究。FRP／

5、CM20l0No,52010年第5期玻璃鋼／復(fù)合材料63構(gòu)件的熱膨脹系數(shù)，二者之間的相互作用程度就會對模具表面進(jìn)行不同的處理，涂抹脫模劑和貼減小，最終產(chǎn)生的殘余應(yīng)力也會減小，因此從熱膨脹分離膜都將影響構(gòu)件固化變形，而對兩種處理方法系數(shù)角度考慮選擇復(fù)合材料模具將有利于減小模具的影響效果還沒有一致公認(rèn)的結(jié)果。原因?qū)е碌墓袒瘹堄鄳?yīng)力。3模具結(jié)構(gòu)Sarrazin_2分別采用鋁質(zhì)模具和陶瓷模具來考不同的復(fù)合材料構(gòu)件所用的成型模具也不一察模具材料對構(gòu)件固化變形的影響。在控制構(gòu)件表樣，有的是模具形狀特殊而有的是結(jié)構(gòu)形式特殊，不面溫度一樣的情況下，發(fā)現(xiàn)使用兩種不同材料模具同形狀和不同

6、結(jié)構(gòu)形式的模具對固化變形都有一定固化對變形沒有影響。Twigg-5]研究了三種不同的影響。材料的模具對復(fù)合材料構(gòu)件固化變形的影響，他發(fā)3．1特殊形狀的模具現(xiàn)在構(gòu)件尺寸小于臨界值時使用熱膨脹系數(shù)不同的航天器上所用的復(fù)合材料構(gòu)件有很多形狀是特固化模具對構(gòu)件的變形影響很小，而當(dāng)構(gòu)件尺寸超殊的，如U形及L形復(fù)合材料構(gòu)件，很多學(xué)者研究過臨界值時，隨著尺寸的增加，使用三種不同材料模了這些模具的拐角半徑對固化變形的影響。Holm．具時構(gòu)件固化變形的差值增大。也就是說對于尺寸bergl通過分析和試驗(yàn)證明對于U型梁采用RTM較大的復(fù)合材料構(gòu)件，模具對其固化變形的影響較成型方法時，模具角

7、半徑對于均質(zhì)各向同性材料的為顯著。回彈變形沒有影響。然而，對于熱壓罐成型方法來2模具表面情況說，由于模具的一半是剛性的，使得構(gòu)件局部拐角厚固化工藝過程中由于熱壓罐內(nèi)氣體壓力的作用度和纖維含量發(fā)生變化，進(jìn)而產(chǎn)生回彈變形。Ram—使復(fù)合材料構(gòu)件緊貼在模具表面上，模具表面情況ford和Rennick觀察到模具角半徑越大，其對變將會直接影響到模具與復(fù)合材料之問的相互作用程形的影響越小。度，對此國內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了研究。Flanagan_6’7I不同工藝條件下模具角半徑對構(gòu)件固化變形的通過實(shí)驗(yàn)研究比較了脫模劑和FEP分離膜對固化影響是不一樣的，RTM液體成型工