環(huán)氧樹脂基預(yù)浸料熱固化特征溫度和固化度研究_陳淑仙.pdf

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1、16環(huán)氧樹脂基預(yù)浸料熱固化特征溫度和固化度研究2015年2月環(huán)氧樹脂基預(yù)浸料熱固化特征溫度和固化度研究*陳淑仙，田鶴，李夢，楊文鋒(中國民航飛行學(xué)院航空工程學(xué)院，四川廣漢618307)摘要:基于固化動(dòng)力學(xué)理論和有限元分析方法，建立了樹脂基預(yù)浸料熱固化過程中溫度場研究的數(shù)學(xué)模型，數(shù)值模擬了預(yù)浸料固化過程的溫度和固化度變化特征，將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與已有文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比，驗(yàn)證了計(jì)算模型和計(jì)算方法的正確性。研究了升溫速率、玻璃纖維等因素對環(huán)氧樹脂體系固化反應(yīng)特征溫度以及固化時(shí)間的影響。結(jié)果表明，升溫速率增加，

2、固化反應(yīng)放熱峰Tp向高溫方向移動(dòng)，同時(shí)固化起始溫度Ti和固化終止溫度Tf也相應(yīng)地向高溫移動(dòng)，固化過程中材料內(nèi)溫度梯度增大，內(nèi)部熱應(yīng)力增大。但提高升溫速率可縮短固化完成所需時(shí)間。玻璃纖維的加入使樹脂基預(yù)浸料各項(xiàng)固化反應(yīng)特征溫度降低，達(dá)到固化起始溫度的時(shí)間延長，但對完成固化時(shí)間的影響可忽略。關(guān)鍵詞:有限單元法;玻璃纖維/環(huán)氧樹脂;固化過程;特征溫度;固化度中圖分類號(hào):TB332文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1003－0999(2015)02－0016－05［9，10］［11］樹脂基復(fù)合材料在修理過程中，采用加熱的方一，并取得了一定進(jìn)展。比如分析夾雜氣泡、［12，13］［14］［15］法實(shí)現(xiàn)固化被稱之為

3、熱固化。在熱固化成型過程樹脂物性參數(shù)、固化模具以及碳纖維對中，樹脂基復(fù)合材料物理特性上表現(xiàn)出各向異性特樹脂固化過程溫度和固化度的影響。但對于樹脂基點(diǎn)，由于固化溫度的變化以及反應(yīng)熱和表面散熱條復(fù)合材料熱固化過程中對溫度場有重要影響的特征件等因素的影響，復(fù)合材料體系內(nèi)部溫度場分布復(fù)溫度及其影響因素的研究還未見報(bào)導(dǎo)。雜，在局部地方會(huì)產(chǎn)生較大的溫度梯度。而在固化本文以一種中溫固化環(huán)氧樹脂E208體系及其體系中局部溫度梯度較大，意味著最終成型的構(gòu)件玻璃纖維預(yù)浸料GF/E208為研究對象，基于固化動(dòng)中存在熱應(yīng)力，這是導(dǎo)致構(gòu)件損傷、失效以至于破壞力學(xué)理論和有限元分析方法，建立樹脂基復(fù)合材料［1，2］的根本

4、原因。特別是在大尺寸或者復(fù)雜曲面形熱固化過程中溫度場研究的數(shù)學(xué)模型，數(shù)值模擬樹狀的復(fù)合材料構(gòu)件中，常常會(huì)出現(xiàn)熱應(yīng)力集中引起脂基預(yù)浸料固化過程中溫度和固化度的變化情況，的裂紋等破壞。因此，研究樹脂基復(fù)合材料固化過計(jì)算固化反應(yīng)特征溫度，并研究升溫速率、玻璃纖維程中的溫度變化規(guī)律及分布，對改進(jìn)固化工藝、提高等因素對環(huán)氧樹脂體系固化反應(yīng)特征溫度以及固化［3，4］修理質(zhì)量具有重要意義。采用實(shí)驗(yàn)方法研究固時(shí)間的影響，為設(shè)計(jì)和優(yōu)化操作工藝提供依據(jù)?；^程可以直觀地觀察反應(yīng)現(xiàn)象、測量固化溫度等，但是實(shí)驗(yàn)操作難度大、周期長，且影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的因1物理模型和數(shù)學(xué)模型素較多，難以保證可重復(fù)性。在該情況下，數(shù)值模擬1

5、.1物理模型［5，6］便成為有力工具。對于樹脂基復(fù)合材料熱固化本文的計(jì)算模型采用文獻(xiàn)［16］中的實(shí)驗(yàn)原型，過程溫度場數(shù)值模擬的研究，文獻(xiàn)［7］首次采用模實(shí)驗(yàn)容器內(nèi)的E208樹脂體系可以假設(shè)為尺寸為2×塊化方法研究層合板固化過程，針對AS4/350126單2×2cm的立方體，如圖1(a)所示;對原有的幾何模向?qū)雍习褰⒘艘痪S數(shù)學(xué)模型。文獻(xiàn)［8］采用二維型進(jìn)行分層，改變分層區(qū)域的材料屬性，可將原有的有限元方法數(shù)值模擬了任意截面形狀和邊界條件層模型改變?yōu)槔w維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的環(huán)氧樹脂模型，合板的固化過程。隨著復(fù)合材料整體成型和共固化如圖1(b)所示。以一定的升溫速率對各表面實(shí)施技術(shù)的發(fā)展，采用三維

6、有限元方法模擬復(fù)雜形狀結(jié)加熱。E208環(huán)氧樹脂體系和GF/E208玻璃纖維樹構(gòu)和邊界條件的固化過程成為該領(lǐng)域的發(fā)展方向之脂基預(yù)浸料物性參數(shù)見文獻(xiàn)［17］。收稿日期:2014-08-11本文作者還有秦文峰和唐慶如?；痦?xiàng)目:國家自然科學(xué)基金民航聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目(U1233202，U1333201);國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51306201);江蘇省航空動(dòng)力系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題資助項(xiàng)目(APS-2013-04)作者簡介:陳淑仙(1975-)，女，博士，副教授，主要從事復(fù)合材料固化過程研究，bellesavana@163.com。FＲP/CM2015.No.22015年第2期玻璃鋼/復(fù)合材料17

7、維體積含量;ΔE為材料的活化能;A為頻率因子;m和n為反應(yīng)級(jí)數(shù)。固化動(dòng)力學(xué)方程參數(shù)取值見文獻(xiàn)［16］。材料主軸方向?qū)嵯禂?shù)向整體坐標(biāo)下導(dǎo)熱系數(shù)［18］的轉(zhuǎn)化由下式確定:—T[K]=[n][]K[n](4)—式中，[K]為整體坐標(biāo)下導(dǎo)熱系數(shù)矩陣;[n]=?l1m1n1??÷(a)?l2m2n2÷，為轉(zhuǎn)換矩陣，li、mi