熱固性樹脂基復(fù)合材料固化過程的比熱容研究

熱固性樹脂基復(fù)合材料固化過程的比熱容研究

在固結(jié)過程中，由于材料的外部溫度和固結(jié)反應(yīng)的變化，將產(chǎn)生非常復(fù)雜的熱態(tài)平衡層，并將材料的分布和變化應(yīng)用于不同的熱態(tài)平衡層。這種復(fù)雜的溫度場會(huì)影響到復(fù)合材料固化均勻性和材料內(nèi)部的熱應(yīng)力,最終影響復(fù)合材料產(chǎn)品的質(zhì)量。因此,研究固化過程中復(fù)合材料內(nèi)部的溫度和固化度分布、變化的情況可以為制定固化工藝提供依據(jù),有效提高產(chǎn)品質(zhì)量。目前,計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展已使對(duì)樹脂基復(fù)合材料固化過程進(jìn)行數(shù)值模擬成為可能,它不但可以部分替代試驗(yàn),還可以更深刻理解各種參數(shù)對(duì)固化過程的影響,為選擇固化工藝和控制固化過程提供依據(jù)。通常,在對(duì)熱固性樹脂基復(fù)合材料固化過程進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí),取固化后樹脂的比熱容作為整個(gè)固化過程中樹脂的比熱容,即不考慮樹脂比熱容隨固化度的變化。文獻(xiàn)都是用固化后樹脂的比熱容進(jìn)行模擬計(jì)算的。在對(duì)3234/T300B復(fù)合材料固化過程溫度特性研究過程中發(fā)現(xiàn),由于固化前后樹脂比熱容有較大變化,不考慮樹脂比熱容隨固化度的變化會(huì)對(duì)模擬計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生較大影響。通過對(duì)固化前后樹脂比熱容的研究,發(fā)現(xiàn)樹脂的比熱容和熱固性樹脂的大多物理性質(zhì)一樣,在固化過程中發(fā)生突變。但是由于樹脂固化放熱的影響,難以準(zhǔn)確測得固化過程中樹脂的比熱容變化。本研究通過分析比較,發(fā)現(xiàn)采用樹脂比熱容與固化度分段線性的假設(shè),其模擬結(jié)果和實(shí)測具有較好的一致性。1實(shí)驗(yàn)1.1原材料3234/T300預(yù)浸料,北京航空材料研究院制造。1.2標(biāo)準(zhǔn)固化工藝預(yù)浸料尺寸為200mm×200mm,鋪層為160°在烘箱中以標(biāo)準(zhǔn)工藝固化。在固化過程中,采用北京天辰儀表通訊技術(shù)有限公司制造的溫度采集系統(tǒng)采集記錄復(fù)合材料內(nèi)部不同位置的溫度變化。2復(fù)合材料熱物理性能復(fù)合材料固化過程熱傳導(dǎo)方程:其中:T為溫度,Kx,Ky和Kz分別為x,y和z方向的熱導(dǎo)率,ρc為復(fù)合材料密度,Cc為復(fù)合材料的比熱,ρr為樹脂密度,Vr為樹脂的體積分?jǐn)?shù),為樹脂反應(yīng)放熱,為固化速率,α為固化度,HR為樹脂總固化反應(yīng)熱。復(fù)合材料的熱物理性能如表1。3234的固化動(dòng)力學(xué)方程為:采用有限元方法對(duì)復(fù)合材料固化過程中溫度場和固化度隨時(shí)間變化的過程進(jìn)行了數(shù)值模擬,所用軟件為ABAQUS商用有限元軟件。3結(jié)果與討論3.1固化過程中溫度值的模擬結(jié)果將固化后樹脂的比熱容作為整個(gè)固化過程中樹脂的比熱容,對(duì)3234/T300B復(fù)合材料固化過程進(jìn)行模擬計(jì)算。圖1～3分別為復(fù)合材料上表面中心、中間層中心和下表面中心溫度變化曲線的模擬值與實(shí)測值的對(duì)比。從圖1～3可以看出,將固化后樹脂的比熱容作為整個(gè)固化過程中樹脂的比熱容進(jìn)行模擬計(jì)算,得到的溫度峰出現(xiàn)時(shí)間比實(shí)測值超前大約1000s,峰值溫度比實(shí)測值高8～23℃。峰值點(diǎn)的溫度值及溫度峰出現(xiàn)時(shí)間模擬結(jié)果與實(shí)測值均相差較大。究其原因,是因?yàn)闃渲袒氨裙袒蟊葻崛荽?用固化后樹脂的比熱容進(jìn)行固化反應(yīng)模擬計(jì)算,使反應(yīng)開始階段溫度升高較快,反應(yīng)速度也偏快,而該反應(yīng)又是一個(gè)自催化反應(yīng),造成溫度的模擬值比實(shí)測值偏快偏高。3.2固化度對(duì)樹脂比熱容的影響為了提高模擬精度,減小模擬誤差,在模擬計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮比熱容隨固化度的變化。但是由于樹脂固化放熱影響,對(duì)固化程度不同的樹脂進(jìn)行比熱容測試,以得到樹脂比熱容隨固化度變化關(guān)系比較困難。本研究假設(shè)了兩種樹脂比熱容隨固化度變化的情況:(1)溫度恒定時(shí),比熱容與固化度為線性關(guān)系,隨著固化度的增大,比熱容線性減小,直到固化度達(dá)到1時(shí),比熱減小到固化完全后的樹脂的比熱。(2)溫度恒定時(shí),比熱容與固化度為分段線性關(guān)系,即以凝膠點(diǎn)為分界點(diǎn),凝膠點(diǎn)前隨著固化度的增大,比熱容由未固化樹脂的比熱線性減小到凝膠點(diǎn)時(shí)與固化完全后的樹脂相同;凝膠點(diǎn)后采用固化完全樹脂的比熱。3.2.1模擬值與實(shí)測值對(duì)比根據(jù)假設(shè)(1),對(duì)3234/T300B復(fù)合材料固化過程進(jìn)行模擬計(jì)算。復(fù)合材料上表面中心、中間層中心和下表面中心溫度變化曲線的模擬值與實(shí)測值的對(duì)比分別如圖4～6所示。從圖4～6可以看出,根據(jù)假設(shè)(1)進(jìn)行模擬計(jì)算,得到的溫度峰出現(xiàn)時(shí)間比實(shí)測值提前大約100s,峰值溫度比實(shí)測值低12～21℃。溫度峰出現(xiàn)時(shí)間與實(shí)測值基本一致,但峰值點(diǎn)的溫度值與實(shí)測值相差較大。3.2.2模擬值與實(shí)測值對(duì)比根據(jù)假設(shè)(2),對(duì)3234/T300B復(fù)合材料固化過程進(jìn)行模擬計(jì)算。復(fù)合材料上表面中心、中間層中心和下表面中心溫度變化曲線的模擬值與實(shí)測值的對(duì)比分別如圖7～9所示。從圖7～9可以看出,根據(jù)假設(shè)(2)進(jìn)行模擬計(jì)算,得到的溫度峰出現(xiàn)時(shí)間比實(shí)測值提前大約200s,峰值溫度比實(shí)測值低1～6℃。溫度峰出現(xiàn)時(shí)間與實(shí)測值比較接近,峰值點(diǎn)的溫度值與實(shí)測值也基本一致。4固化前后比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比熱容比