CN106956391B - 一种降低复合材料微波固化应力的方法 - Google Patents

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Abstract

一种降低复合材料微波固化应力的方法，其特征在于：在复合材料的微波固化过程中，树脂到达凝胶点后再进行一段固化温度随时间升高与降低，并循环变化直至复合材料完全固化的周期变化。本发明能降低复合材料微波固化过程中产生的应力，提高固化质量，为微波固化复合材料提供了理想的控温方法，为微波固化替代传统的热压罐固化奠定了基础，本发明能降低固化应力80%以上，能满足大型结构件的使用需要。

Description

一种降低复合材料微波固化应力的方法
技术领域
本发明涉及一种复合材料成型技术，尤其是一种复合材料微波固化技术，具体地说是一种降低复合材料微波固化应力的方法。
背景技术
众所周知，先进复合材料具有比强度和比模量高、抗疲劳性能好、耐腐蚀性能好和整体成型性好等许多优异特性，飞机上大量应用复合材料不仅可以明显地减轻飞机的结构重量，提高飞机的性能，还可以大大减少零部件数量，简化工装、利于进行大部件组装，加快制造周期。应用部位由次承力结构向主承力结构过渡，目前复合材料已广泛用于各种操纵面、机翼和机身等主承力部位。复材在复杂曲面构件上的应用越来越多，如进气道、机身段、压力隔框等。构件向整体成型、共固化方向发展，可以明显减少零件、紧固件和模具的数量，大幅度地减少装配工序，是复合材料结构减重的重要措施，也是降低成本的一种有效方法。
目前，先进复合材料的主要成型工艺是热压罐固化工艺。将复合材料与成型模具封装后送入热压罐中，加温加压固化成型。热压罐固化工艺以热传导方式加热复合材料，复合材料内部的温差大；罐体内所有材料包括气体介质均需加热至高温，能耗高，固化周期长、效率低。微波固化复合材料工艺是一种极有潜力替代热压罐的工艺技术，能内外同时均匀加热复合材料，加热速度快。微波固化过程中，只加热复合材料，罐内其他材料与气体介质均不加热，能耗低，固化周期短，效率高。但复合材料的微波固化工艺尚不明确，在工业生产过程中，仍然直接将热压罐的固化工艺应用到微波固化中，未能充分发挥微波固化的优势。为此，提出一种使复合材料微波固化的加热速度快、热惯性小、固化速率快与选择性加热等优异特性，建立一种优化的复合材料微波固化工艺方法，降低复合材料固化应力是加快微波固化方法在复合材料中应用的关键。
发明内容
本发明的目的是针对目前采用微波固化复合材料时应缺少相应的减少固化应力的方法而直接将热压罐的固化工艺应用到微波固化中造成微波固化难以充分发挥优势的问题，发明一种降低复合材料微波固化应力的方法。
本发明的技术方案是：
一种降低复合材料微波固化应力的方法，其特征在于：在复合材料的微波固化过程中，材料的加热温度随加热过程循环升高与降低，直至复合材料完全固化。
复合材料固化温度循环升高与降低的过程中，升降温变化幅度不小于10摄氏度，温度循环变化过程中的升温速率与降温速率随固化时间变化，升降温速率可单独调节。
固化温度周期变化过程中，循环变化的形式可以是连续的升温后直接降温或在温度转折点保温再降温或升温。
第一次降温的温度转折点为树脂凝胶点。
复合材料采用金属或非金属材料固化模具。
所述的模具优先采用具有电磁波穿透性且散热能力较好的金属或非金属材料固化模具。
复合材料的降温方式为自然冷却降温或外部主动冷却降温。
本发明的方法的关键在复合材料的微波固化过程中，树脂到达某一时刻进行一段固化温度随时间循环升高与降低，直至复合材料完全固化的周期变化。该周期变化的起始时刻可任意选择或采用树脂的凝胶点开始时刻。固化温度循环变化的形式可以是连续的升温后直接降温或在温度转折点保温再降温/升温。循环升降温的温度工艺可以为升降温速率不相同的锯齿形、正弦波形与方波形等。复合材料固化温度周期变化时的升降温变化幅度不小于10摄氏度，升温速率与降温速率随固化时间变化，且各不相同。固化温度周期变化过程中，在升温后直接降温，然后再升温，反复循环，或在温度转折点保温再降温或升温，保温的时间在5至30分钟之间，保温过程中温度变化幅度不超过5摄氏度。复合材料采用金属或非金属材料固化模具，优先采用具有一定的电磁波穿透性且散热能力较好的模具。复合材料的降温方式为自然冷却降温或外部主动冷却降温(如强制对流换热等)。
本发明的有益效果：
本发明能降低复合材料微波固化过程中产生的应力，提高固化质量。
本发明为微波固化复合材料提供了理想的控温方法，为微波固化替代传统的热压罐固化奠定了基础。
本发明能降低固化应力80％以上，能满足大型结构件的使用需要。
附图说明
图1是本发明固化温度变化曲线图之一。
图2是本发明固化温度变化曲线图之二。
图3是本发明实例的循环变化的固化温度曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图2所示。
一种降低复合材料微波固化应力的方法，在复合材料的微波固化过程中，树脂到达凝胶点后具有一段固化温度随时间升高与降低(即一高一低循环往复)，并循环变化直至复合材料完全固化的温度工艺。升降温变化幅度在10摄氏度以上，升温速率与降温速率可随固化时间变化，且各不相同，如图2所示。具体实施时还可在升温后可直接降温，然后再升温，反复循环，也可在温度转折点保温(温度变化幅度不超过5摄氏度)一段时间再降温或升温，保温的时间可在5至30分钟之间。在复合材料微波固化过程中，可施加均匀的压力压实复合材料。复合材料的固化模具可采用金属或非金属材料，且具有较好的散热能力。复合材料的非贴模具面可封装真空袋材料，也可不封装，真空袋中不添加具有保温功能的材料。
实例如图1、3所示。
一种碳纤维增强双马来酰亚胺树脂基复合材料的微波固化方法，按照复合材料的微波固化方程、微波固化传热方程与热应力方程确定不同阶段的温度值与变化程度，采用如图2所示的锯齿形温度循环变化的工艺，温度的变化值g(t)可表示为：
其中，P(t)为中点温度，A(t)为变化幅值，为变化频率，复合材料的固化度变化可表示为：
其中，K为指前因子，E为活化能，R为普适气体常数，T为固化温度，B为与固化过程有关的常量，m与n为反应级数。复合材料的微波固化反应动力学可通过非等温差示扫描量热法测量得到。碳纤维增强双马来酰亚胺树脂基复合材料的固化反应动力学方程为：
复合材料微波固化过程中的应力σtotal主要包括纤维与树脂之间的应力σfiber-resin与模具和制件之间的应力σtool-part。
σtotal＝σfiber-resin+σtool-part (4)
纤维与树脂之间的应力与模具和制件之间的应力可表示为：
σfiber-resin＝ΔTβfEf-σr(τ) (5)
σtool-part＝ΔT(βtEt-βpEp(T)) (6)
其中，ΔT为温度变化量，βf，βt与βp分别表示纤维、模具与复合材料制件的热膨胀系数，Ef与Et表示纤维与模具的弹性模量，σr(τ)表示树脂固化过程中的松弛应力，Ep(T)表示树脂固化的松弛应力作用下复合材料的粘弹性模量。
松弛应力与粘弹性模量可表示为：
Ep(T)＝E'(T)+iE”(T) (8)
其中，βr表示树脂热膨胀系数，κf(τ)为移动因子，ξ(t)为折减因子，T(t)为温度随时间的变化量。折减因子的值可由材料在不同温度下短时间内试验得出的材料主松驰曲线获得。复合材料的储能模量E'(T)与损耗模量E”(T)通过热机械动力学实验测量得到。移动因子与温度工艺变化频率和树脂本征频率fref(t)之间的关系为：
求解循环变化的微波固化工艺的约束条件如下。G1(X)与G2(X)式表示微波加热与降温速度选取微波加热装置的最大升温速率与降温速率；升温速率越大，降温速率越大，材料的固化应力越小；G3(X)表示在降温开始前复合材料的固化度需达到100％；G4(X)表示加热过程中的最高温度不能超过复合材料的焦化温度；G5(X)表示加热的中心点温度需大于材料的凝胶温度使得材料能发生固化反应，而小于玻璃化转变温度，避免材料过快固化造成性能下降。
求解的目标函数F(X)如下所示，求F(X)的最小值即使得复合材料固化过程中积累的应力最小。
为求解方便，将公式(12)分解为两部分，一部分为指数型半经验公式与中心点温度、降温速率和保温时间有关，另一部分循环加热过程的应力相消。
F(X)＝Fs(X)+Fc(X) (13)
由于降温阶段的应力受模具制件相互作用的影响，因此需考虑模具的热膨胀系数与材料热膨胀系数的关系。当复合材料的热膨胀系数βp大于模具的热膨胀系数βt时，降温速率对应力的影响为正比关系，当其小于模具热膨胀系数时为反比关系。
忽略应力在复合材料厚度方向的变化，考虑半个循环变化周期的应力相消，第二部分可表达为下式：
根据边界条件求解方程(16)与固化动力学方程(3)，即得到循环变化的温度工艺如图3所示。升温速率为3℃/min，凝胶点的中心温度为185℃(保温15min)，按照5℃/min的降温速率降至130℃后开始以指数衰减循环升温与降温。
表1实施例使用材料的热力学参数
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (3)

1.一种降低复合材料微波固化应力的方法，其特征在于：在复合材料的微波固化过程中，材料的加热温度随加热过程循环升高与降低，直至复合材料完全固化，降低固化应力80%以上；复合材料固化温度循环升高与降低的过程中，升降温变化幅度不小于10摄氏度，温度循环变化过程中的升温速率与降温速率随固化时间变化，升降温速率可单独调节。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：固化温度变化过程中，循环变化的形式可以是连续的升温后直接降温或在温度转折点保温再降温或升温。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：复合材料的降温方式为自然冷却降温或外部主动冷却降温。
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