厚截面复合材料固化温度不均匀性对力学性能的影响

通过对厚截面复合材料层合板不同部位设置隔离膜与热电偶的方法来测试厚截面复合材料在固化过程中沿厚度方向的温度分布。采用横向拉伸和短梁剪切测试手段,研究了厚截面复合材料制件固化过程中沿厚度方向的温度不均匀性对力学性能的影响规律,并通过扫描电子显微镜(SEM)分析了层合板力学性能测试后的断面微观形貌。结果表明,厚截面复合材料固化过程中沿厚度方向存在明显的温度梯度,随着温差的增加,拉伸强度、层间剪切强度力学性能呈下降趋势。以上层合板为参考对象,当层合板沿厚度方向温差为20.6℃时,其横向拉伸强度相差7.4%,层间剪切强度相差6.8%;当层合板沿厚度方向温差为10.2℃时,其横向拉伸强度相差3.8%,层间剪切强度相差3.4%。这是由于固化温度过高,树脂与碳纤维界面的结合强度降低。该研究为厚截面复合材料制件热压罐成型过程中温度场均匀调控的必要性提供了重要的实验依据及理论参考。     

纤维缠绕复合材料固化成型中纤维密实过程数值模拟

纤维缠绕复合材料固化成型过程中,缠绕制件的纤维密实程度及单层厚度受缠绕张力、树脂流动影响较大。基于Squeeze-sponge模型,发展了适用于纤维缠绕复合材料固化成型的树脂流动/纤维密实模型。该密实模型考虑了固化度、温度、树脂黏度、渗透率等参数随固化时间的变化特性,并引入缠绕张力、缠绕图案等缠绕特征,实现缠绕制件纤维密实过程的数值模拟。通过对比文献结果,证明了密实模型的可靠。基于密实模型,对不同缠绕张力制度下的纤维密实程度进行数值模拟,结果表明,相较于各层缠绕张力相等的缠绕制度,采用层间压力相等的缠绕制度时,树脂分布更加均匀,各层纤维体分比数值趋于一致,且适当提高远离树脂出口位置的缠绕张力可实现各层纤维体分比数值相等。     

连续玻璃纤维增强聚丙烯层合板非等温拉伸成型质量研究

采用自行设计的模具,对双层玻璃纤维增强聚丙烯（GFRTP）复合材料单向层合板进行了半球形非等温拉伸成型试验,结合显微观察等手段,就复合材料单向层合板预热温度、拉伸速率等对制件厚度分布、成型质量的影响进行了研究。结果表明,提高预热温度可导致制件变薄;提高拉伸速率可改善制件的表面质量,当拉伸速率超过150 mm/min时制件会产生拉裂和脱层的缺陷。     

固化工艺参数对国产T800增强高韧性复合材料性能的影响

针对AC531/CCF800H高韧性复合材料在0.2 MPa+真空(-0.07 MPa)条件下出现的固化缺陷问题,采用流变仪表征法分析了AC531树脂在不同温度条件下的黏度变化及其流动特性。AC531/CCF800H预成型体固化过程中,AC531树脂在纤维层间的流动可以用Darcy定理来描述。利用Darcy定理可知AC531/CCF800H复合材料内部的孔隙率随着固化压力的增加而减小,浸渍实验结果表明两者近似呈线性关系。织物和单向带替代铺层的A扫检测结果表明AC531/CCF800H复合材料在固化过程中,以面内流动为主。根据不同固化压力条件下AC531/CCF800H复合材料的内部质量及力学性能测试结果可知,有效固化压力是影响AC531/CCF800H复合材料内部质量的关键影响因素。其有效固化压力应至少为0.3 MPa,继续提高压力对其常温力学性能影响不大,但可以降低制件内部的孔隙率,减小制件的单层厚度。     

复合材料成型过程多参数协同在线监测系统研究

复合材料制件的成型质量同时受其工艺环境和构件内部理化反应的影响,现有固化过程的监测多为离线、离散监测方式,且监测后期数据处理工作量大,固化过程中不能直观地监测到制件内部状态的变化从而难以实现对其成型质量的在线反馈控制,监测的物理量较少,无法综合研究物理量之间的相互影响。为了实现对先进复合材料制件热压固化全过程多参数协同在线监测,提出了一种基于经典层合板理论、"热电偶+光纤布拉格光栅"和"毛细管压力传感器"组合式测量的方法,利用Lab VIEW图形编程语言、数据通信和数据库技术开发了一套多参数在线监测上位机软硬件系统,实现了温度、压力、应变和应力之间数据传输的协同与同步在线监测。将其应用到某大型飞机机翼翼盒壁板缩比件固化实验,结果表明该监测系统可实现对复合材料固化全过程多参数的实时监测,系统运行稳定、可靠,对于察明构件固化缺陷的产生机理并实现固化成型质量的在线反馈控制具有重要的现实意义。     

固化工艺规范对复合材料固化残余应力影响的实验研究

单束纤维拉伸法是以简单的单束纤维聚合物基复合材料结构为研究对象,研究固化工艺过程中树脂体积变化与纤维上残余应力之间的关系.同时固化过程中树脂体积是随工艺温度变化而产生变化的,经理论分析及计算得到了固化工艺温度历程对纤维上固化残余应力的影响规律.     

基于响应面传动器成型缺陷研究

传动器通过注塑成型工艺制得,其成型质量直接影响传动器的性能。在注塑成型工艺过程中,模具温度、熔体温度、保压压力以及冷却时间等工艺参数对制件的影响较显著,不合理的工艺参数导致制件出现较大的翘曲变形。通过建立响应面模型,以模具温度、熔体温度、保压压力以及冷却时间为响应参数,以制件的翘曲变形量为响应目标,优化一组最佳的成型工艺参数组合。结果表明：四个变量的影响程度分别为：模具温度>保压压力>冷却时间>熔体温度。当模具温度80℃、熔体温度180℃、保压压力90 MPa、冷却时间20 s,制件的翘曲变形量最小为1.955 mm,较未优化的翘曲变形量降低0.427 7 mm,有效地改善了制件的成型质量。     

复合材料气瓶内加热固化成型方法及数值模拟研究

采用有限元方法对由玻璃纤维增强环氧树脂复合材料和金属内衬组成的复合材料气瓶内固化成型工艺进行研究,利用ANSYS仿真软件开发了复合材料气瓶内固化过程的仿真程序,实现复合气瓶固化过程温度和固化度变化规律的数值模拟研究。结果表明,数值模拟与实际实验数据较吻合,算法准确有效;复合材料气瓶固化时的温度是由复合材料内层至外层逐渐传递的,固化时的峰值温度由内向外逐渐提高,气瓶也是逐层固化的,而且固化时间是由内向外逐渐变短。根据模拟结果分析了金属内衬材质、环境温度和复合材料厚度对温度和固化度变化规律的影响。结果表明,环境温度越高,固化时达到峰值温度的时间越早且峰值温度越低,开始固化的时间越早;复合材料越厚,达到峰值温度的时间越晚且峰值温度越高,开始固化的时间越晚;金属内衬材质对薄壁内衬的复合材料气瓶影响微小。     

树脂基复合材料固化过程固化度场和温度场的均匀性优化

针对热固性树脂基复合材料的加热固化过程,提出一种以提高固化度场均匀性为优化目标的固化加热曲线优化方法。该方法通过在固化加热曲线中合理安排升温和保温过程,提高固化度的均匀性。首先,通过有限元模拟,获得制件的固化度场和温度场,确定其不同时刻固化速度最大差值,再进一步计算出固化速度最大差值的一阶微分。通过比较固化速度最大差值及其一阶微分的极小值时刻制品的固化特性,确定升温和保温的时间。模拟结果表明,优化前后的固化度最大差值从9.8%降低到4.9%,温度最大差值从18.2℃降低到7.3℃,制品的固化度场和温度场均匀性有较大改善。     

某型机复合材料U形蒙皮固化成型厚度控制

复合材料制件因其优异的性能,在航空领域得到越来越多的应用。但热压罐固化成型法往往存在制件厚度超差,难以控制的问题,严重制约着复合材料的使用范围。本文对某型机复合材料U形蒙皮固化成型后厚度超差进行研究,简要分析了复合材料U形蒙皮厚度超差的原因,提出了制件固化过程中进行边缘封胶和底部吸胶的工艺方法,有效地解决了复合材料U形蒙皮组件厚度超差问题。     

玻璃钢拉挤工艺过程非稳态温度场与固化度数值模拟与试验

玻璃钢拉挤成型过程中其固化度和温度变化为强耦合关系。根据固化动力学和传热学理论,建立了非稳态温度场与固化动力学数学模型。通过示差扫描量热实验计算出模型中固化动力学参数。采用有限元与有限差分相结合的方法,依据ANSYS求解耦合场的间接耦合法,编制了计算程序,对拉挤工艺不同工况玻璃钢非稳态温度场和固化度进行数值模拟。采用特殊设计制作的铝毛细管封装的布拉格光栅光纤传感器,屏蔽了荷载效应应变干扰,对玻璃钢温度场进行实时捡测;采用索氏萃取实验测定玻璃钢制品固化度。实验表明,模拟与实验结果基本吻合。为避开繁多试凑性实验而进行工艺过程优化提供理论依据。     

Heat transfer for pultrusion of a modified acrylic/glass reinforced composite

Experimental values of the temperature on the wall and into the die were obtained for the pultrusion of a modified acrylic resin. The equation of continuity, and energy balance, coupled with a kinetic expression for the curing system, are solved using difference method to calculate the temperature and the conversion profiles in the thickness direction in a rectangular pultrusion die. The effects of the process variables (e.g. pulling rate, die temperature, die thickness and content of fibers) on the performance of the pultrusion are evaluated.     

The development of a mathematical model for the pultrusion of blocked polyurethane composites

The thermokinetic behavior of blocked polyurethane-based composites during the pultrusion of glass-fiber reinforced composites is investigated utilizing a mathematical model accounting for the heat transfer and the heat generation during curing. The equations of continuity and energy balance, coupled with a kinetic expression for the curing system, are solved using a finite difference method to calculate the temperature and conversion profiles in the thickness direction in a rectangular pultrusion die. A kinetic model, dP/ dt = A exp(?E/RT) (1?P)ⁿP^m, was proposed to describe the curing behavior of a blocked polyurethane resin. Kinetic parameters for the model were obtained from dynamic differential scanning calorimetry (DSC) scans using a multiple regression technique, which was able to predict the effects of processing variables on the pultrusion. The effects of process variables (e.g., pulling rate, die temperature, and die thickness) on the performance of the pultrusion are also evaluated. © 1993 John Wiley & Sons, Inc.     

挖补角度对复合材料修补片固化过程温度和热应力的影响

利用有限元方法,数值模拟了不同挖补角度的树脂基复合材料修补片热固化过程中的温度场和热应力场,并分析了挖补角度对修补片的温度、固化度和热应力的影响。仿真计算结果表明:挖补角度越小,修补片中心点处的温度峰值越大,固化速率越快,热应力越大;挖补角度越小,修补片非中心点处的固化速率越快,热应力越小,且挖补角度对非中心点处的热应力影响较大。综合分析后可知,在一定挖补角度范围内,合理选择挖补角度,可控制修补材料内部热应力,并获得较好的复合材料修补质量。研究结果为实际修理提供了良好的数值依据。     

碳纤维/环氧预浸料的热固化工艺研究

以先进拉挤(Advanced Pultrution)[1]ADP成型技术为研究背景,借助差示扫描量热法(DSC)对USN12500碳纤维/环氧预浸料固化所涉及的温度和时间进行了研究与分析。以弯曲强度作为考察指标设计正交试验,优选了模拟的拉挤成型固化工艺参数。试验结果表明,①后固化温度下的保温时间对制品的力学性能影响最大,预处理温度下的保温时间影响最小;②预处理温度80℃下处理25min、热压温度130℃下保温保压25min以及后固化温度150℃下保温1.5h为本组试验的优方案。     

Mathematical model for the pultrusion of blocked PU–UP matrix composites

The thermokinetic behavior of blocked polyurethane (PU)–unsaturated polyester (UP)–based composites during the pultrusion of glass‐fiber‐reinforced composites was investigated utilizing a mathematical model that accounted for the heat transfer and heat generation during curing. The equations of continuity and energy balance, coupled with a kinetic expression for the curing system, were solved using a finite difference method to calculate the temperature profiles and conversion profiles in the thickness direction in a rectangular pultrusion die. A kinetic model, dP/dt = A exp(?E/RT)P^m(1 ? P)ⁿ, was proposed to describe the curing behavior of a blocked PU–UP resin. Kinetic parameters for the model were obtained from dynamic differential scanning calorimetry scans using a multiple regression technique, which was able to predict the effects of processing parameters on the pultrusion. The effects of processing parameters including pulling speed, die wall temperature, and die thickness on the performance of the pultrusion also were evaluated. © 2003 Wiley Periodicals, Inc. J Appl Polym Sci 90: 1996–2002, 2003     

Development of a mathematical model for the pultrusion of unsaturated polyester resin

A mathematical model is developed for simulating the pultrusion process of unsaturated polyester resin, using a mechanistic kinetic model based on free radical polymerization. In their previous publications (Refs. 1 and 7), Han and Lee used the mechanistic model to simulate the curing behavior of unsaturated polyester resins under isothermal conditions, employing the differential scanning calorimetry data obtained for a range of single initiators and multiple initiator systems. For the sake of mathematical convenience, a pultrusion die of cylindrical geometry was considered. The mathematical model developed permits one to choose any number of initiators when predicting the distributions of the degree of cure and temperature in both the radial and axial directions of the die. The effects of material variables (e.g., the type and concentration of mixed initiators) and processing conditions (e.g., pulling speed and die temperature distribution) on the performance of the pultrusion are evaluated.     

层合板在固化全过程中瞬态温度场及固化度的有限元分析

本文根据固化动力学理论和热传导理论，采用有限元与有限差分相结合的方法，对复合材料层合板在固化工艺过程中板内温度和固化度的分布及其变化规律进行数值模拟；在分析过程中考虑了温度和固化度的耦合作用，并采用Ｅｕｌｅｒ－Ｃａｕｃｈ逐步迭代的方法进行解耦求解；通过算例，分析和讨论了层合板的温度边界条件，板厚度以及升温速率对层合板内温度和固化度分布的影响。     

复合材料拉挤成型过程中温度和固化度的数值模拟研究

本文对拉挤成型过程中热传导方程和固化度动力学方程进行了数值分析，确定了拉挤模具内温度和固化度属于强耦合关系。使用有限元软件IFEPG和FORTRAN语言为平台开发出一计算机程序，并使用该程序模拟出在一定工艺参数下拉挤模具内温度和固化度的分布，着重探讨了拉挤速度对模具内温度和固化度分布的影响。     

Development of a mathematical model for the pultrusion process

A mathematical model has been developed to simulate the pultrusion process, namely the profiles of temperature and the degree of cure in both the axial and radial directions in a pultrusion die of cylindrical shape. For the study, the equations of continuity and energy transport, coupled with a kinetic expression for the curing reaction, were solved numerically, using a finite difference method. For the kinetic expression, we used an empirical expression of the form dα/dt = (k₁ + k₂α^m)(1 ? α)ⁿ to describe the curing behavior of both unsaturated polyester and epoxy resins. Differential scanning calorimetry (DSC) was used to investigate the curing behavior of the following systems: unsaturated polyester resin/glass fiber, epoxy resin/glass fiber, and epoxy resin/carbon fiber. The results of DSC runs were used to determine the kinetic parameters, which enabled us to predict the effects on the pultrusion characteristics of the following variables: (1) the type of initiator; (2) the type of fiber reinforcement; (3) the type of resin; and (4) the pulling speed and hence the residence time.