环氧树脂基预浸料热固化特征温度和固化度研究_陈淑仙.pdf

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1、16环氧树脂基预浸料热固化特征温度和固化度研究2015年2月环氧树脂基预浸料热固化特征温度和固化度研究*陈淑仙，田鹤，李梦，杨文锋(中国民航飞行学院航空工程学院，四川广汉618307)摘要:基于固化动力学理论和有限元分析方法，建立了树脂基预浸料热固化过程中温度场研究的数学模型，数值模拟了预浸料固化过程的温度和固化度变化特征，将数值计算结果与已有文献实验结果对比，验证了计算模型和计算方法的正确性。研究了升温速率、玻璃纤维等因素对环氧树脂体系固化反应特征温度以及固化时间的影响。结果表明，升温速率增加，

2、固化反应放热峰Tp向高温方向移动，同时固化起始温度Ti和固化终止温度Tf也相应地向高温移动，固化过程中材料内温度梯度增大，内部热应力增大。但提高升温速率可缩短固化完成所需时间。玻璃纤维的加入使树脂基预浸料各项固化反应特征温度降低，达到固化起始温度的时间延长，但对完成固化时间的影响可忽略。关键词:有限单元法;玻璃纤维/环氧树脂;固化过程;特征温度;固化度中图分类号:TB332文献标识码:A文章编号:1003－0999(2015)02－0016－05［9，10］［11］树脂基复合材料在修理过程中，采用加热的方一，并取得了一定进展。比如分析夹杂气泡、［12，13］［14］［15］法实现固化被称之为

3、热固化。在热固化成型过程树脂物性参数、固化模具以及碳纤维对中，树脂基复合材料物理特性上表现出各向异性特树脂固化过程温度和固化度的影响。但对于树脂基点，由于固化温度的变化以及反应热和表面散热条复合材料热固化过程中对温度场有重要影响的特征件等因素的影响，复合材料体系内部温度场分布复温度及其影响因素的研究还未见报导。杂，在局部地方会产生较大的温度梯度。而在固化本文以一种中温固化环氧树脂E208体系及其体系中局部温度梯度较大，意味着最终成型的构件玻璃纤维预浸料GF/E208为研究对象，基于固化动中存在热应力，这是导致构件损伤、失效以至于破坏力学理论和有限元分析方法，建立树脂基复合材料［1，2］的根本

4、原因。特别是在大尺寸或者复杂曲面形热固化过程中温度场研究的数学模型，数值模拟树状的复合材料构件中，常常会出现热应力集中引起脂基预浸料固化过程中温度和固化度的变化情况，的裂纹等破坏。因此，研究树脂基复合材料固化过计算固化反应特征温度，并研究升温速率、玻璃纤维程中的温度变化规律及分布，对改进固化工艺、提高等因素对环氧树脂体系固化反应特征温度以及固化［3，4］修理质量具有重要意义。采用实验方法研究固时间的影响，为设计和优化操作工艺提供依据。化过程可以直观地观察反应现象、测量固化温度等，但是实验操作难度大、周期长，且影响实验结果的因1物理模型和数学模型素较多，难以保证可重复性。在该情况下，数值模拟1

5、.1物理模型［5，6］便成为有力工具。对于树脂基复合材料热固化本文的计算模型采用文献［16］中的实验原型，过程温度场数值模拟的研究，文献［7］首次采用模实验容器内的E208树脂体系可以假设为尺寸为2×块化方法研究层合板固化过程，针对AS4/350126单2×2cm的立方体，如图1(a)所示;对原有的几何模向层合板建立了一维数学模型。文献［8］采用二维型进行分层，改变分层区域的材料属性，可将原有的有限元方法数值模拟了任意截面形状和边界条件层模型改变为纤维质量分数为10%的环氧树脂模型，合板的固化过程。随着复合材料整体成型和共固化如图1(b)所示。以一定的升温速率对各表面实施技术的发展，采用三维

6、有限元方法模拟复杂形状结加热。E208环氧树脂体系和GF/E208玻璃纤维树构和边界条件的固化过程成为该领域的发展方向之脂基预浸料物性参数见文献［17］。收稿日期:2014-08-11本文作者还有秦文峰和唐庆如。基金项目:国家自然科学基金民航联合基金重点项目(U1233202，U1333201);国家自然科学基金项目(51306201);江苏省航空动力系统重点实验室开放课题资助项目(APS-2013-04)作者简介:陈淑仙(1975-)，女，博士，副教授，主要从事复合材料固化过程研究，bellesavana@163.com。FＲP/CM2015.No.22015年第2期玻璃钢/复合材料17

7、维体积含量;ΔE为材料的活化能;A为频率因子;m和n为反应级数。固化动力学方程参数取值见文献［16］。材料主轴方向导热系数向整体坐标下导热系数［18］的转化由下式确定:—T[K]=[n][]K[n](4)—式中，[K]为整体坐标下导热系数矩阵;[n]=æl1m1n1öç÷(a)çl2m2n2÷，为转换矩阵，li、mi