模具對復合材料構件固化變形的影響探究

鄺起智

摘 要：熱壓罐成型工藝是一個紛繁復雜的綜合性過程，很多復合材料構件通常是由模具和負荷材料內部構件出現不匹配才會造成沿厚度方向與面內各種固化參與應力的發展，在得到固化后很多參與應力會沿著構件整體厚度方向開始發生變化。另外，殘余應力分布不均勻也會對復合材料構件固化變形產生很大影響。基于此本文將模具對復合材料構件固化變形的影響這個角度作為出發點，對其展開深入、全面探討與論述。

關鍵詞：模具；復合材料；固化工藝；殘余應力

1 緒論

熱壓罐在整體化成型過程當中模具和復合材料構件兩者之間的溫度如果發生不匹配的現象，在一定程度上將會造成符合材料構件固化殘余應力發生很大作用進而造成固體發生變形。由于受到內部壓力的影響復合材料內部構件會作用在模具表面，由于熱脹冷縮將會造成模具和復合材料兩者之間互相發生作用來造成復合材料構件固化發生變形。

2 對于模具和構件相互作用機制分析

模具和復合材料構件兩者是一種非常密切的關系，通常情況下，如果模具和復合材料構件中的溫度膨脹系數出現不匹配時將會造成固化發生變形。[1]另外，很多與模具表面接近的符合材料中富樹脂纖維分布不均勻，在復合材料成型工藝過程當中單面吸膠和抽真空出現不當將會對工藝成型結果產生很大影響。一般情況下使用最多的方式是把預吸膠和真空嘴的合理位置來減小復合材料構件接近模具端的富樹脂區。通過依照樹脂基體中的凝膠點與玻璃溫態溫度來把整個工藝成型過程分為以下三個不同階段：黏性液體、彈性固體與發生變化的彈性固體狀態。當樹脂基體處在黏性液體這個階段是，由于樹脂是一種液體具有一定流動性，所以符合材料構件和模具兩者之間的發生的作用就會非常小，然而在樹脂處于彈性固體階段時，復合材料內部構件會出現一種非常大的模量，當模具和復合材料兩者之間產生剪切應力時，這個時候復合材料內部構件會出現一種拉應力，然而在其整個厚度方向分布上還是處于一種均勻狀態，并不會出現應力梯度的發生，在對其進行脫模之后構件會由彈性逐漸開始發生變形最終會恢復到原始狀態，并不會引起符合材料構件出現翹曲變形的情況發生。

3 關于模具對復合材料構件固化變形的影響探究

3.1 關于使用光纖光柵方法來說明模具和復合材料的關系和作用分析

光纖布拉格光柵是一種現代化、創新型技術，通常情況下這種方式的工作原理是通過測量布拉格中心反射峰波長產生的變化來得到被測量相關信息參數。通過引起光纖光柵發生折射率的變化來造成布拉格波長發生不同程度的變化，尤其應變在光纖光柵上發生作用之后，整個光柵形態會開始出現拉伸變化。與此同時光彈效應在一定程度上也會造成折射率出現不同程度的變化，除此之外，當溫度場在光纖光柵上面發生作用時，光纖材料會出現熱脹冷縮的現象，進而造成很多熱量來發生變化，并且纖芯折射率在很大程度上會伴隨著溫度的升高或者降低出現很大變化。在測定光纖光柵中的應變靈敏系數與溫度靈敏系數時，可以通過應變與溫度變化來造成布拉格中心波長發生漂移。[2]要想讓光纖光柵中的布拉格波長發生變化，在對其進行監測的過程當中必須獲取同一時刻中的構件溫度，相關工作人員應該在構件內部埋設熱電偶來監測固化過程當中的溫度變化，光纖布拉格光柵和熱電偶采集到的 各種信息監測數據通常情況下是由解調儀與信息數據之間的轉換來與計算機進行有效連接，然后再通過計算機應用程序來對其進行綜合記錄。

3.2 關于復合材料成型工藝固化過程分析

復合材料成型工藝過程是一個綜合性復雜過程。通常情況下，不同類型工藝之間都存在各種優點和缺點。對于熱固性樹脂復合材料成型技術一般都會選擇使用熱壓罐成型、樹脂傳遞模型或者真空輔助灌注這種方式成型。一般情況下，固化工藝過程當中的很多復合材料通常會經過以下幾個過程：首先，流動階段，這個階段中的樹脂整體粘度非常小，大部分樹脂一般都處于一種流動性液體狀態。在相關壓力的作用之下，很多預浸料層之前的大量空氣會被擠出，預成型體也會進一步得到壓實。另外還可以使用吸膠鋪貼的方式來進行操作，吸膠會在很短時間內吸收很多溢出到外部的樹脂。并且會隨著溫度的持續不斷提升樹脂的整體固化度也會進一步得到增加，整個樹脂固化度也會進一步得到增加。并且粘度會開始越來越大，這個時候的樹脂整體流動性就會變得越來越困難，在達到固定的凝膠點時樹脂就會開始處于一種停止狀態，并且還會對復合材料的整體厚度與纖維體積造成很大影響。其次，凝膠玻璃化階段，這個階段的工藝溫度在一定程度上會大于樹脂玻璃化中轉變的溫度，當復合材料處于橡膠狀態時期時，整個樹脂溫度會持續走高并且樹脂的固化速度也會進一步加快，與此同時樹脂在固化的過程當中內部的大量分子也開始發生很大變化。雖然，高溫狀態下樹脂的粘彈性會非常強，然而處于這個階段的松弛時間卻非常小，這種樹脂狀態和玻璃狀態相比較倆或整體模量并不是很大。處于凝膠和玻璃化狀態的樹脂固化反應非常激烈，尤其在接近玻璃化點時大量樹脂會表現出一種非常強的黏彈性，樹脂固化收縮也是在這個階段發生的。最后，脫模階段，復合材料構件在發生脫模之后會對構件進行切割和修整，在對其進行其他操作是也會影響整個構件的殘余應力。

4 總結

復合材料和模具兩者之間的匹配程度在很大程度將會影響復合材料構件固化發生變形的程度，并且在這個成型過程當中發生應變還會引起其他構件固化之后的翹曲變形的情況發生，因此，相關工作人員一定要掌握好復合材料和模具之間的匹配程度。

參考文獻：

[1]王仁宇，關志東，王乾，等.復合材料Ⅴ型構件的固化變形預測及其工裝型面設計[J].材料導報，2017，31（2）：130-135.

[2]劉林鑫，叢晶潔，劉凱，等.非熱壓罐工藝模具對復合材料加筋壁板固化變形影響的有限元分析[J].復合材料學報，2018，35（2）：347-355.