【www.zhangdahai.com--其他范文】
赵 烽，李 梦，赵 欣
（中国民用航空飞行学院航空工程学院，四川广汉 618301）
作为一种绿色环保材料，环氧大豆油丙烯酸酯树脂（AESO）被广泛地应用于聚氯乙烯（PVC）、涂料及复合材料制备等领域，但AESO 基复合材料在其固化过程中容易出现开裂、气泡、分层或分相等缺陷，限制了这类材料的大规模推广[1]。近年的研究表明，使用含浸压力工艺对纤维增强的AESO 基复合材料进行固化，可使纤维与基体材料紧密结合，改善相关材料的物理性能与力学性能，进而有效提升材料的固化质量[2,3]。但是，关于纤维增强环氧大豆油树脂基复合材料含浸压力固化过程的动力学特征，却鲜见报道。
对于含异质相的树脂基复合材料，高龙飞等[4]提出了一种考虑弥散硬化增强体材料相互作用和自由边界的复合模型，给出了一种无需考虑增强体材料所处位置的复合材料属性计算方法并据此表征了固化后复合材料的平均应力。Brassart 等[5]考虑了一般荷载条件，以增量变分原理在Mori 模型的基础上提出了一种计算弹黏塑性复合材料均匀化响应性能指标的新方法。该方法引入耗散函数与局部应力-应变关系，可以通过弹性试验应变，以线性关系来定义复合材料性能。在此基础上，元振毅等[6]给出了一般形式的纤维增强复合材料的力学性能计算方法。Yan[7]建立了给定压力下碳纤维增强环氧树脂基复材的二维传热模型，求解了材料固化过程中树脂的黏度与压力，但据此仍不能获取材料的固化速率、固化内应力等关键固化特征参数[8]。
基于树脂基材料固化过程中的时变特性及黏弹性等物理化学特点，本文基于COMSOL 多物理场仿真软件对纤维增强树脂基复合材料的传热方程、固化动力学方程及黏弹性力学模型进行了耦合计算，建立了含浸压力条件下纤维增强树脂基复合材料的三维热固化过程模拟方法。采用上述方法对玻璃纤维增强的AESO 树脂基复合材料进行有限元建模、数值计算与实验数据验证，讨论了该固化过程模型的有效性，得到了含浸压力工艺下玻璃纤维增强AESO 基复合材料的固化内应力，为改进纤维增强树脂基复材的含浸压力固化工艺提供了参考。
1.1 平均场均匀化理论
平均场均匀化（Mean filed homogenization）是用于分析不同类型复合材料的一类通用且较为精确的理论方法。基于Brassart 提出的细观力学模型[9]，通过混合率公式可计算得到纤维增强复合材料的性能
式中：Vf——纤维体积分数；
ρf和Cpf——分别为玻璃纤维的密度及定压比热容，ρr和Cpr——分别为AESO 的密度及定压比热容。
复合材料的导热系数可由Springer-Tsai 模型进行计算[10]
式中：λ11，λ22，λ33——分别为x，y，z 方向上的导热系数。
1.2 传热模型
根据Yan 所提出的模型，考虑到含浸压力固化的工艺特点、复合材料热传导的各向异性以及三维尺度的边界热对流，假设材料在加热过程中未发生分解且材料未发生热化学膨胀，根据能量守恒定律，可得到热传导控制方程
1.3 固化动力学模型
使用Malek 法[11,12]给出材料的唯象模型，并根据Sesthk-Berggren（m, n）模型对固化动力学方程求解
式中：A——反应频率因子；
E——反应活化能；
n与m为反应阶数。
1.4 黏弹性力学模型
Zocher 等[13]提出了黏弹性的本构模型，其应力增量方程为
Fig.1 Viscoelastic mechanical model of AESO by Célia-Arménio
在广义Maxwell 模型的基础上，Frias 等[8]认为环氧大豆油基材料可以表示为弹簧单元E1与一个含有弹簧单元E2和黏壶单元η的Maxwell 单元并联而
2.1 主要原料
玻璃纤维布：K值为12，常州天常玻纤复合材料有限公司；
环氧丙烯酸树脂（AESO）：环氧值为5.25%、酸值为7.66 mgKOH/g，湖北世腾化工科技有限公司；
过氧化苯甲酸-1,1-二甲基乙基酯（TBPB）；
成都艾科化学技术有限公司。AESO 树脂与玻璃纤维布的性能见Tab.1。
Tab.1 Properties of AESO resin and glass fiber
2.2 制备过程
首先，在AESO 中加入质量分数为2.0%的TBPB。充分搅拌混合后倒入以[0/90]预铺设有10层玻璃纤维布的尺寸为100 mm×100 mm×5 mm 的模具中。然后，将装有物料的模具在70 ℃，5 MPa 加压环境中预压5 min，再将其置于温度为70 ℃，压力为0 MPa 的真空干燥箱中脱泡处理20 min，最后取出模具并使其自然冷却至室温。
2.3 测试与表征
采用METTLER 1100LF 热同步分析仪进行复合材料样品的热重与差示扫描量热联合分析（TGDSC）。采用5 K/min，10 K/min 和20 K/min 3 组升温速率，分析温度范围为20～210 ℃，N2流量为100 mL/min，参比坩埚为相同型号的洁净空坩埚。
2.4 有限元求解方法
Fig.2 为含浸压力固化工艺示意图，建立了包括含浸压力模具、玻璃纤维布/AESO 树脂、加热区域与施压区域的有限元结构模型。基于COMSOLMultiphysic 平台，根据材料固化过程中的热传导、固化交联、固化变形等物理过程，依托理论模型构建了固体传热、域常微分与微分代数方程及固体力学等相应模块。由于采用了含浸压力固化方法，故而忽略了固化过程中树脂流动和填充过程对于纤维体积分数及物理性质的影响。
Fig.2 Schematic of glass fiber / AESO composite sample subjected to immersion compression in the mold
固化与及含浸压力形变的数值模拟程序如Fig.3 所示。在固化过程中，升温过程将会直接影响复合材料的固化度，而固化度的变化将改变材料的基础性能及内部热源的热通量并反之对升温过程造成影响，温度场与固化场高度耦合[15]。为保证计算的准确性，联立Yan 传热方程组与Malek 固化动力学方程，对2 种物理场进行直接耦合。
Fig.3 Flow chart of the numerical simulation program
单个时间步内的瞬态温度-固化度的控制方程为
式中:Hr——反应的总反应热；
α——反应的固化度。单个材料单元的内热能（Q）对温度梯度的偏导数为
边界热通量对温度梯度的偏导数为
计算完成后，在固体力学场中直接加载按时间历程对不同网格节点的温度与固化度，基于Zocher的黏弹性本构模型，计算结构应变与应力。使用Equation View 定义复合材料的各向异性刚度矩阵，并依照时间步更新。使用Williams-Landau-Ferry 函数表征黏弹性的时间谱与温度谱，以最终得到具有时变特征的温度、固化度与固化速率及应力应变分布。
建立的有限元模型单元总数为4326 个，求解自由度数为138765，使用MUMPS 求解器，容差由物理场控制。
3.1 温度与固化度
Fig.4 为材料在不同升温速率下温度计算值随时间的变化曲线。可见在5 K/min，10 K/min 及20 K/min 的升温速率下，分析图线可知反应过程符合Malek 法适用的自催化过程，加热速率（β）越大，固化速度越快，且在同一温度时，β越大，α越小。固化度的计算值符合工艺的要求并与实验值吻合良好，但在恒温保持后，实验值出现了一定的偏移。这是因为在恒温阶段前，材料未开始固化，温度变化较为稳定。随着进一步升温，材料开始吸热固化相变并伴有吸热蒸发，使得材料的质量及性能出现了变化，并最终导致计算值与实验值出现差异。
Fig.4 Temperature variation curves of glass fiber / AESO composite at different heat rates of 5 K/min，10 K/min and 20 K/min
Fig.5 为在不同升温速率下材料固化速率随温度的变化曲线。分析图线可知预测结果符合自催化固化反应过程，且与实验数据吻合良好。β越大，固化速度越快，且在同一温度时，β越大，α越小。反应前期固化速率较小，在390～450 K 时，固化达到峰值，随后固化速率又不断减小。引发剂TBPB 通常在65～100 ℃温度区间开始分解并产生过氧化基团，活性基团浓度不断上升并引发自由基聚合反应，使得固化速率开始上升并达到峰值。反应后期，分子交联程度上升，活性基团浓度下降，使得固化速率下降并最终停止。这验证了本工作所建模型对温度场及固化场模拟的合理性。
Fig.5 Comparison of experimental and calculated degree of curing rate at different hate rates
3.2 固化内应力及应变的预测
Fig.6 为Fig.2 所示截面处，加热速率为20 K/min的玻璃纤维/AESO 基树脂复合材料试样在5 MPa压力下的含浸压力应力变化云图。在未开始固化时，模具底部材料的应力由于预设压力的作用而集中，主要集中于模具棱角及中心处，数值在6 MPa 左右。固化开始后，材料由不可压力的液态转变为可压力的凝胶态及玻璃态，含浸压力工艺使得材料在模具底部压力并出现应力集中区域。在固化结束后，峰值应力达到了19.22 MPa，峰谷应力仅有2.71 MPa。
Fig.6 Von Mises stress distribution of glass fiber / AESO matrix resin composite at the heating rate of 20 K/min respectively heated at (a)825 s, (b)855 s, (c)885 s, (d)915 s, (e)945 s and (f)975 s
Fig.7 为不同升温速率下材料的固化内应力。随着温度的变化，材料的密度小幅上升，应力略微减小，但变化并不明显。当固化开始时，材料开始相变，应力同步上升。在达到第1 组Maxwell 单元的松弛时间后，材料属性过渡到第2 组Maxwell 单元，力学性质发生了骤变，应力因此产生了一定的阶跃；
当固化完成后，材料的属性趋于稳定[16]。相较于升温速率为20 K/min 的内应力，固化后5 K/min 的内应力减少了28.68%，且内应力的变化明显更为缓和，Maxwell 单元的应力变化处也更为平滑。因此在生产过程中，应尽量以较低的升温速率进行固化。
Fig.7 Von Mises stress of glass fiber /AESO matrix resin at the heating rate of (a) 5 K/min, (b) 10 K/min and (c) 20 K/min
Fig.8 为加热速率为20 K/min 下模具棱角处材料在固化过程中正应力、纤维横向切应力与纵向切应力。可以看出，在固化后各应力快速上升，产生大量的内应力。固化结束后，应力集中处的峰值正应力(σ)为15.54 MPa、横向切应力(τp)与纵向切应力(τv)分别为5.52 MPa 与1.51 MPa，玻璃纤维有效地增强了材料的横向剪切强度，对于纵向剪切强度影响较小。峰值切应力仅为正应力的35.52%，远小于塑性材料的许用应力范围。
Fig.8 Normal stress, shear stress parallel to fiber and shear stress vertical to fiber at the heating rate of 20 K / min
Fig.9 给出了在不同升温速率下，α达到（0.95，1）区间范围时材料厚度方向的固化收缩应变。可以看出，此模型预测结果与试验结果吻合良好。
（1）根据平均场均匀化、热传导、固化动力学及黏弹性力学理论，建立了含浸压力工艺下玻璃纤维增强环氧大豆油基复合材料热固化多物理场耦合模型，并通过与实验数据进行对比，验证了模型的可靠性。
（2）研究了含浸压力工艺下不同升温速度对材料的固化速率以及各向内应力、应变的变化。结果表明，升温速率将显著影响固化过程中材料的内应力及固化收缩应变。升温速率由20 K/min 下降至5 K/min，材料的内应力减小28.68%，厚度方向上的固化收缩应变减少了48.25%。
猜你喜欢 环氧树脂复合材料 阻燃高导热环氧灌封胶的制备与性能研究大电机技术(2022年5期)2022-11-17浅谈现代建筑中新型复合材料的应用建材发展导向(2022年2期)2022-03-08金属复合材料在机械制造中的应用研究建材发展导向(2021年14期)2021-08-23T1168-H环保型改性环氧耐高温浸渍树脂的应用研究防爆电机(2021年4期)2021-07-28炫酷发明阅读（快乐英语高年级）(2021年11期)2021-03-08现制环氧基水磨石地坪施工工艺石材(2020年8期)2020-10-28国产复合材料预浸料过程控制的认识与实践民用飞机设计与研究(2020年1期)2020-05-21先进复合材料制造及过程控制技术民用飞机设计与研究(2020年1期)2020-05-21被封印在树脂与木头里的风景读者·校园版(2018年5期)2018-02-08ACS树脂的合成与性能研究科学与财富(2017年22期)2017-09-10本文来源：http://www.zhangdahai.com/shiyongfanwen/qitafanwen/2023/0611/609779.html
