碳纖維/環氧樹脂預浸料固化動力學建模研究

高騰龍,余建虎,許英杰

(1.中國飛行試驗研究院,西安 710089;2.西北工業大學 機電學院,西安 710072)

熱壓罐成型工藝是當前航空航天領域復合材料制件生產成型的重要方法之一,樹脂在罐內經歷復雜的化學反應和能量交換,從液態到橡膠態最終達到玻璃態完成固化成型[1-2]。樹脂在固化過程中會釋放大量的熱量,使結構件產生一定的溫度梯度和固化度梯度,成為復合材料構件產生固化變形的原因之一[3-5]。

國內外眾多學者通過DSC試驗和DMA試驗等對環氧樹脂體系進行了廣泛的研究。固化動力學研究是研究樹脂固化反應的一個重要手段,通過DSC試驗可以對樹脂或預浸料進行等溫固化和動態固化,得出材料的玻璃化轉變溫度和固化度-溫度曲線[6-9]。利用得到的固化速率、溫度及固化時間等因素可以預測和控制復合材料成型過程中的固化變形,以提高制件的制造成功率,增加產品質量穩定性,大幅度的提高生產效率。

DSC試驗中假設樹脂材料的固化度與反應所放出的熱量成正比關系,因此可以通過反應的殘余熱或者反應熱來計算固化度的數值。在這一假設下,多種固化動力學方程被研究使用,包括n級反應動力學模型、自催化反應模型和Kamal模型等改進模型[10-12]。但是這些研究都是針對單純的樹脂材料體系進行的,對于復合材料而言,由于纖維材料的加入,使得固化反應產生一定的延緩,因此想要研究復合材料的固化反應模型就需要對預浸料材料進行相應的掃描試驗[13-14]。……