【摘要】 Kim et al.通过有限差分分析和实验提出了一种具有冷却和再加热步骤的高压釜固化循环

随着复合材料工业的发展，复合材料结构被广泛应用于各种场合，如压力容器、管道、气体和液体储罐、火箭发动机外壳等。由于交联聚合过程中产生的低导热系数和高反应热，复合材料结构的固化仍然是一个挑战。固化周期的确定对复合材料结构的固化具有重要意义[1]。已经开展了许多研究来开发不同的制造工艺，研究纤维增强复合材料结构的固化过程。

 

Guo et al.利用有限元软件对厚复合材料层合板在热压釜固化周期中的一维瞬态传热进行了分析。研究发现，可以修改常规的固化周期以防止温度超调。Bogetti引入了厚复合材料圆柱体的二维固化模拟分析，预测了复合材料结构内部的温度和固化程度分布。

 

Kim et al.通过有限差分分析和实验提出了一种具有冷却和再加热步骤的高压釜固化循环，结果表明，该固化循环可以抑制复合材料结构在固化过程中的突然升温。Ersoy讨论了热固性复合材料的物理和机械性能的发展，这与残余应力和工艺诱发变形的建模有关。Behzad描述了一种模拟程序的发展，该程序可以预测大麻纤维/热固性复合材料在成型过程中的温度分布和固化行为。给出了非线性瞬态传热和树脂固化动力学的控制方程。采用橡胶过程分析仪2000研究了不同固化程度的天然橡胶/二甲基丙烯酸镁复合材料的动态粘弹性特性。

 

Ding等人提出了一种用于模拟树脂转移成型(RTM)过程中具有边缘效应的反应性树脂流动的方法。用递归方法和分支理论分别描述了分子结构和树脂粘度的演变。

图1. 层压板的中心温度发展[1]

 

复合材料层合板中心的温度和固化演变程度如图1和2所示。模拟结果与文献中的结果非常吻合。如图1所示，在层压板的中心温度发展中存在两个热峰值。对于第一个热峰和第二个热峰，与边界温度相比，分别有8 K和22 K的差异。在固化度6300s处出现两个转变峰，可归因于固化度达到0.3时固化动力学模型的变化。

 

总之，可以建立一个基于固化动力学模型的三维有限元方法来模拟聚合物基复合材料的固化过程。复合材料结构在固化过程中任意点的峰值温度和固化程度均可进行模拟，三维固化模拟得到的结果与文献研究中的实验结果吻合较好。结果表明:复合材料的厚度、环氧树脂的体积分数、固化温度梯度和金属衬板的厚度对固化温度和固化程度有显著影响;因此，可以通过上述参数的设计来优化固化工艺。

 

图2. 层合板的固化发展中心度[1]

 

[1] Guo Z , Yu Z , Wei S ,et al.Three-dimensional finite element analysis for temperature filed of composite materials during the cure[J].Multidiscipline modeling in materials and structures, 2022(1):18.

 

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