热固性树脂基复合材料固化过程的比热容研究

热固性树脂基复合材料固化过程的比热容研究

在固结过程中，由于材料的外部温度和固结反应的变化，将产生非常复杂的热态平衡层，并将材料的分布和变化应用于不同的热态平衡层。这种复杂的温度场会影响到复合材料固化均匀性和材料内部的热应力,最终影响复合材料产品的质量。因此,研究固化过程中复合材料内部的温度和固化度分布、变化的情况可以为制定固化工艺提供依据,有效提高产品质量。目前,计算机技术的发展已使对树脂基复合材料固化过程进行数值模拟成为可能,它不但可以部分替代试验,还可以更深刻理解各种参数对固化过程的影响,为选择固化工艺和控制固化过程提供依据。通常,在对热固性树脂基复合材料固化过程进行数值模拟时,取固化后树脂的比热容作为整个固化过程中树脂的比热容,即不考虑树脂比热容随固化度的变化。文献都是用固化后树脂的比热容进行模拟计算的。在对3234/T300B复合材料固化过程温度特性研究过程中发现,由于固化前后树脂比热容有较大变化,不考虑树脂比热容随固化度的变化会对模拟计算结果产生较大影响。通过对固化前后树脂比热容的研究,发现树脂的比热容和热固性树脂的大多物理性质一样,在固化过程中发生突变。但是由于树脂固化放热的影响,难以准确测得固化过程中树脂的比热容变化。本研究通过分析比较,发现采用树脂比热容与固化度分段线性的假设,其模拟结果和实测具有较好的一致性。1实验1.1原材料3234/T300预浸料,北京航空材料研究院制造。1.2标准固化工艺预浸料尺寸为200mm×200mm,铺层为160°在烘箱中以标准工艺固化。在固化过程中,采用北京天辰仪表通讯技术有限公司制造的温度采集系统采集记录复合材料内部不同位置的温度变化。2复合材料热物理性能复合材料固化过程热传导方程:其中:T为温度,Kx,Ky和Kz分别为x,y和z方向的热导率,ρc为复合材料密度,Cc为复合材料的比热,ρr为树脂密度,Vr为树脂的体积分数,为树脂反应放热,为固化速率,α为固化度,HR为树脂总固化反应热。复合材料的热物理性能如表1。3234的固化动力学方程为:采用有限元方法对复合材料固化过程中温度场和固化度随时间变化的过程进行了数值模拟,所用软件为ABAQUS商用有限元软件。3结果与讨论3.1固化过程中温度值的模拟结果将固化后树脂的比热容作为整个固化过程中树脂的比热容,对3234/T300B复合材料固化过程进行模拟计算。图1～3分别为复合材料上表面中心、中间层中心和下表面中心温度变化曲线的模拟值与实测值的对比。从图1～3可以看出,将固化后树脂的比热容作为整个固化过程中树脂的比热容进行模拟计算,得到的温度峰出现时间比实测值超前大约1000s,峰值温度比实测值高8～23℃。峰值点的温度值及温度峰出现时间模拟结果与实测值均相差较大。究其原因,是因为树脂固化前比固化后比热容大,用固化后树脂的比热容进行固化反应模拟计算,使反应开始阶段温度升高较快,反应速度也偏快,而该反应又是一个自催化反应,造成温度的模拟值比实测值偏快偏高。3.2固化度对树脂比热容的影响为了提高模拟精度,减小模拟误差,在模拟计算时应考虑比热容随固化度的变化。但是由于树脂固化放热影响,对固化程度不同的树脂进行比热容测试,以得到树脂比热容随固化度变化关系比较困难。本研究假设了两种树脂比热容随固化度变化的情况:(1)温度恒定时,比热容与固化度为线性关系,随着固化度的增大,比热容线性减小,直到固化度达到1时,比热减小到固化完全后的树脂的比热。(2)温度恒定时,比热容与固化度为分段线性关系,即以凝胶点为分界点,凝胶点前随着固化度的增大,比热容由未固化树脂的比热线性减小到凝胶点时与固化完全后的树脂相同;凝胶点后采用固化完全树脂的比热。3.2.1模拟值与实测值对比根据假设(1),对3234/T300B复合材料固化过程进行模拟计算。复合材料上表面中心、中间层中心和下表面中心温度变化曲线的模拟值与实测值的对比分别如图4～6所示。从图4～6可以看出,根据假设(1)进行模拟计算,得到的温度峰出现时间比实测值提前大约100s,峰值温度比实测值低12～21℃。温度峰出现时间与实测值基本一致,但峰值点的温度值与实测值相差较大。3.2.2模拟值与实测值对比根据假设(2),对3234/T300B复合材料固化过程进行模拟计算。复合材料上表面中心、中间层中心和下表面中心温度变化曲线的模拟值与实测值的对比分别如图7～9所示。从图7～9可以看出,根据假设(2)进行模拟计算,得到的温度峰出现时间比实测值提前大约200s,峰值温度比实测值低1～6℃。温度峰出现时间与实测值比较接近,峰值点的温度值与实测值也基本一致。4固化前后比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比热容比