英语原文共 8 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

聚合物复合材料固化过程中最小残余应力的最佳温度分布

摘要：

聚合物复合材料的制造使用固化工艺要求温度的规格作为时间的函数，即温度分布。至关重要的是,选择分布图满足许多标准包括最小残余应力、最小的固化周期时间和完整的固化程度。固化周期中残余应力的研究进展是影响最终产品的强度和机械性能的最主要的问题之一。本课题的研究目标是，确定固化过程中的最佳温度分布，以减少残余应力的产生。数值模拟的方法研究了固化过程中的基于过程模型包括€影响化学和热应变和应力的粘弹性材料行为的发展。实施过程模型进行参数化研究，观察的趋势和特征的残余应力的历史变化，设置可控输入参数。不同时间段施加的温度梯度是重要的工艺参数。以参数研究的结果为基础，设计出最优化的固化方案。通过大幅减少残余应力的复合材料和完全固化的复合材料之间的比较，向制造商提出最优的固化时间。1999 Elsevier科学有限公司。保留所有权利。

关键词：最佳固化周期；残余应力；固化温度分布；聚合物复合材料；固化过程

1. 简介

使用热压釜固化预浸料是生产高性能复合材料层合板的热固性复合材料的要过程之一。在这一过程中，一般情况下，涉及到如何在固定时间内将一个多层的纤维树脂混合物的温度和压力提升到合适的程度。高温引发和促进聚合物的交联，而施加的压力有助于消除任何气体和空隙的混合物，并导致试样的压实。

复合材料的组成材料在加工过程中对温度变化的反应不同。化学上，增强纤维对固化过程的影响很小。但是聚合物基体的耦合在交联过程中占了6%。而且，纤维在冷却期间的形变是相当小的。另一方面，聚合物基体具有较高的热膨胀系数，易导致较大的形变。这些形变是为了诱导平衡复合材料内部的残余应力而产生的。White和Hahn说，事实上复合材料内部的残余应力足够高能导致材料在施加机械载荷之前就产生裂纹。这种裂纹的产生不仅会影响材料的强度，并且会导致纤维被化学降解。尽管这些残余应力达不到这种强度，但是残余应力在复合材料固化成型过程中就存在了，这依旧不利于复合材料的固化成型。

因此,大小和应用温度在固化周期的持续时间是一个重要的过程参数€可以从产品的强度和完整性自热诱导应力的程度取决于温度曲线。但是，在固化过程中，我们可以选择一个最优的温度分布，使残余应力的影响变得最小，以生产出完全固化的复合材料。

在实际中的固化周期选择主要基于通过对几个候选周期进行实验试验和数值模拟的不断摸索得出的。但是，一项不断摸索的试验是经常会失败，价格昂贵，并且不一定能得到需要的实验数据。这是因为在选择一个固化周期时，有许多因数需要考虑。例如在低温下加工会减少热引起的应力，但是最低温度必须达到发生交联反应的最低温度之上，使材料能达到预期的力学性能。此外，低温下的固化周期会更长，这会使材料的生产成本增加。较高的温度可以加快固化过程，但它们会增加热引起的残余应力。

通过一些固化过程的数值研究，阐述了固化过程各方面的问题。由Thomas等人提出的各种物理模型为固化周期的影响提供了各方面的支持。

最近，有许多研究方向是通过减少固化过程中的残余应力为目标来优化固化过程。在这些研究中，实验技术和数值模拟被用来优化的固化周期。在其他的研究方面，不同的目标被考虑，例如Rai和Pitchumani提出的固化周期问题以及Chang等人提出的厚的层合板的粘接问题。

在本研究中，固化周期的优化是基于温度梯度对固化残余应力的发展的影响。数值模拟的结果得出，温度曲线梯度的分布是一个有效的工艺参数，这是以前的优化研究分析所忽略的。实际上，参数化的研究为温度反应下的应力变化提供了有价值的分析。这项研究的结果是用来开发一个优化的固化周期，与没经过优化的固化过程相比，减少了30%的残余应力。此外，最佳的固化温度也能优化整个固化周期。

2.基本方案

反映动力学的数学模型可以是实际的现象或者机械的。White和 Hahn说本研究采用现象学模型中极限详细地描述了反应过程不考虑彼此个别物种的反应。特别是，一个公式的一般形式：

将用于模型反应速率。在公式（1）中alpha;是固化程度，t是反应时间，K是反应速率常数，代表了阿尔法的函数。

不同形式的公式（1）可用于热塑性树脂的固化动力学模型。这种形式取决于所需的复杂程度,需要研究一个给定的极限精度问题。目前问题模型由Bogetti和 Gillespie描述将使用不饱和聚酯树脂的反应是由

其中A是频率因子，是活化能，R是理想气体常数，T是温度，m和n是固化动力学指数。固化动力学参数K，m，和n可以通过差示量热法（DSC）等热分析技术测得。

复合材料的力学性能随着固化的进行而发生改变。特别是，横坐标，，期间随着时间推移固化也会发生大幅度的变化（看Weitsman [14]）。这种行为可以被建模的幂律形式

是横坐标，是纵坐标，f物质依赖函数选择同意的结果由White和 Hahn得出。D是横向蠕变系数，是便宜系数以及q是横向蠕变指数。蠕变参数D和q可以从横向蠕变指数中得到。最初的坐标符合材料的弹性系数。蠕变参数D，q，和取决于固化程度，即可以用alpha;表示为线性函数。

其中是未固化的横向蠕变系数，是完全固化的横向蠕变系数，是未固化的横向蠕变指数，是完全固化的横向蠕变指数。

最初的弹性模量可以表示为

其中是初始横向弹性模量，E是未固化的横向弹性模量，alpha;是固化程度在初始横向弹性模量的发展，以及，和是横向弹性模量参数。

纵向弹性模量和泊松比可以用下列一次函数表示

其中是未固化的纵向弹性模量，是完全固化的纵向弹性模量，是未固化的泊松比，是完全固化的泊松比。

弹性柔量可以由下列公式表示

其中是柔量，是纵向剪切柔量，面内刚度常数由以下公式表示遵从性

3.残余应力和力矩

不对称正交铺设层压制品的残余应力-应变分析给出下一个基于计算化学和热压力的第一步。可以采取纵向化学应变为零自纤维不体验化学过程中循环。White和Hahn获得的实验结果表明,横向的准确表示化学收缩由表达式的形式给出

其中是强化化学收缩，，和实证横向化学应变系数和指数各自的，是固化时化学收缩完成的程度，是最后的横向化学收缩变形。

热压力可以通过以下公式

其中是热膨胀系数，是初始无应力的温度。White和Hahn的实验结果表示不依赖固化程度。

一旦压力是已知的，可以通过下列公式来计算残余应力

其中是层压压力，是机械压力。在公式17中应变可以由下列公式得出

其中是化学应变，是热压力。总压力从中性面z在远处可以从中平面制得和曲率可以有下列公式

对于一个正交铺设复合叠层顺序[0n/90n]，纵向和横向应力的各个层（看参考文献16）

0到90的标是指各自的厚度，和下标1(纵向)和2(横向)方向。

层压复合材料的固化过程中,通常是保持平坦,直到完成固化周期。通过使用叠层板理论受到的约束应力合成法则以及曲率，中平面应变可以由下列公式表示

同样的角度给出的（看参考文献11）

其中是弯矩，h是材料的半层厚度。

高分子材料被展览时间机械性能尤其是高温。线性热流变简单的材料一个温度依赖转变的因素，，可以用来预测瞬态热响应。粘弹性材料，机械响应历史依赖和涉及的使用减少了时间，和。可以找到这些减少了时间因素的转变

转移因子是建模考虑的温度依赖性只根据一般方程（见参考文献11）

在B1和B2经验移位因子建模参数。

此外，由Schapery提出的准弹性方法用于粘弹性残余应力的发展模式。当准弹性方法使用，粘弹性主矩可以近似用时变刚度的弹性刚度在公式22中以及利用卷积积分。给出结果

其中一个点表示分化以及F可以用下列公式表示

公式25是一个历史相关的积分，固化程度，，被表示为一个函数的年代而不是当前时间，t。公式25是

F是使用时间计算刚度，参考文献12-14中当时合适的在公式23(应变历史建模), 从而促进残余力矩的计算。

4.数值结果及讨论

模型的输入参数和值基于试验研究由白色和哈恩下面给出。