树脂基复合材料固化过程温度场研究进展.pdf

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1、王志远，等：树脂基复合材料固化过程温度场研究进展85树脂基复合材料固化过程温度场研究进展王志远陈刚郑志才(中国兵器工业集团第五三研究所，济南250031)摘要综述了树脂基复合材料固化过程中温度场的影响因素及国内外的研究进展，指出温度场研究中存在的问题并对未来的研究进行了展望。关键词复合材料固化过程温度场复合材料制备过程中的温度变化历程是影响复合材料匀。制件质量和性能的重要因素，温度场控制对于确保复合材料1．3模具材料物理特性和结构的质量一致性具有重要意义。热压罐工艺是目前航空、航天模具是复合材料制件成型的基础和依托，模具的结构和等领域制备先进复合材料的主要方法之一。在热压罐成型材料是模具

2、设计的重要方面，也是影响复合材料成型过程中热固性复合材料的过程中，罐内温度的变化和树脂固化反应温度场的重要因素。表1列举了常用模具材料的基本物理产生的化学放热，以及模具、辅助材料导热能力的差异，使复性能。合材料内部产生“过热”现象和复杂的温度梯度，从而形成表1常用模具材料的基本物理性能不均匀的温度场。这种不均匀的温度场是引起残余应力和材料密度／线胀系数比热容／J·热导率／g’cm×10一／K一(kg·K)W·(m·K)残余变形，导致复合材料早期破坏的根本原因⋯。因此，研铝2．722940204究复合材料在固化过程中的温度场、设计合理的固化制度以钢8．7125126O得到相对均匀的温度场对

3、于改进工艺条件、提高产品质量具复合材料1．7～2．1O～l6990—1060O．72～0．86有重要的意义。殷钢7．91．7480521树脂基复合材料固化过程中温度场的影响因素由表1可以看出，不同模具材料的比热容和热导率存在树脂基复合材料固化过程中温度场的影响因素主要有明显差异，由此造成模具的升温速度也不同；此外，模具材料树脂体系的固化反应放热情况、制件的尺寸和厚度、模具材相同时，模具的结构形式和厚度不同，模具的升温速度也不料热物理特性和结构、辅助材料(吸胶布、透气毡、真空袋同。模具的厚度越大，结构越复杂；模具的升温速度越慢，模等)、加热速率和纤维的种类等。具不同部位的温度差别越大；由于

4、复合材料是紧贴模具表匾1．1树脂体系与温度控制程序的，模具的温度场直接影响复合材料内部的温度场。热压罐不同树脂体系由于固化剂的种类和含量不同，使得复合成型复合材料时，为了使模具升温速度较快，温度分布均匀，材料的固化反应速率和放热量存在明显的差异。对树脂体设计时一般采用薄壁框架式结构并使壁厚尽量一致，在模具系进行差示扫描量热(DSC)分析，可以得到树脂体系的固化的不同部位开一些通风孔，以利于热传导。反应特性。1．4辅助材料一般来说，DSC曲线上的放热峰愈尖锐，固化反应就愈热压罐成型复合材料时，吸胶布、真空袋、透气毡等是获剧烈，这对于固化成型厚度大的复合材料是不利的，因为树得良好质量的前提，

5、但是它们的热导率较低，不仅影响复合脂剧烈的固化反应释放出来的热量不能及时地传递到表面，材料内部的升温速度，还会使复合材料固化反应产生的热量使复合材料内部产生“过热”，又进一步加速固化反应的进积累在其自身内部，产生“过热”现象，造成复合材料内部不行，造成内部温度不断升高，从而使复合材料内部的温度大均匀的温度场，影响固化的均匀性，形成较大的残余应力，降大超过设定温度，可能会引起基体某些组分的分解，更严重低复合材料最终的使用性能。的是固化后的制件内部会形成很大的残余应力，影响复合材1．5加热速率料的性能。对于这种树脂体系，需要对温控程序进行优化在成型大尺寸、厚度大的复合材料制件时，较快的加热以

6、得到相对均匀的温度场。速率不仅会影响模具温度场的均匀性，而且由于复合材料的1．2制件的尺寸和厚度热导率较小，也会使复合材料的内部产生明显的温度梯度，对于小尺寸、厚度小的复合材料制件，升温过程中内部而较慢的加热速率则能缩小内部的温度差别，使复合材料内的温度场比较均匀，但是对于大尺寸、厚度大的复合材料制部的温度场变得均匀，但较慢的加热速率会造成整个工时的件，由于复合材料的热导率较低，升温过程中内部存在明显增加。的温度梯度。因此在成型大尺寸、厚度大的复合材料制件过程中，需要采用特殊的固化工艺，使复合材料内部温度场均收稿日期：2010—06—1186工程塑料应用2010年，第38卷，第8期1．6

7、纤维的种类含量及导热系数的各向异性为依托，开发了能够模拟复合材料制造过程中复杂物理、化玻璃纤维的热导率约为0．036W／m·K(10℃)，碳纤维学变化的软件ANCURE。用制造一般厚度树脂基复合材料沿轴向的热导率为84．35W／m·K，且轴向的热导率大于横的固化历程对厚截面复合材料制件热压罐制造过程中的温向，因此碳纤维的导热性好于玻璃纤维。复合材料的热导率度场进行了一维模拟，发现内部存在严重的温度梯度，而且与纤维体积含量成正比。随着