提高树脂基复合材料固化均匀性的加热曲线优化及其对变形的影响研究

摘要

树脂基复合材料具有比强度和比模量高、易于整体热固化成型等优点，现已广泛应用于航空、航天等制造领域。在生产实际中，由于复合材料内部温度场和固化度场分布不均匀，使得固化过程中材料的热应力和固化收缩不均匀，产生固化变形。目前提高复合材料固化均匀性的研究主要是针对温度场的均匀性，而固化度场直接影响到材料的固化收缩，提高固化度场均匀性同样具有重要工程意义。
　　基于此，本文以有限元模拟结果为基础，提出了一种提高树脂基复合材料固化度场均匀性的加热曲线优化通用方法，将其应用AS4/3501-6与酚醛树脂复合材料的加热曲线优化，并通过酚醛树脂复合材料平板固化实验验证了优化方法的可行性。
　　首先，模拟了AS4/3501-6复合材料体系平板的固化过程，并研究了常见工艺参数对其固化度场均匀性和温度场均匀性的影响。
　　然后，研究开发了一种通用的加热曲线优化方法。以3cm厚度 AS4/3501-6平板制件为对象，深入分析了固化过程中制件各处最大固化度差值与最大固化速度差值及其一阶微分的内在联系，根据函数值与其一阶微分和二阶微分的关系以及固化过程中保温和升温对固化均匀性的影响规律，求解出最优的加热曲线，使该平板固化均匀性提高。这种方法可以用于任意种类树脂基复合材料的加热温度曲线优化。
　　其次，根据生产实际的需求，通过DSC（差式扫描量热）实验和模型拟合方法，研究了一种目前生产实际中应用的酚醛树脂预浸料的固化动力学模型。这种模型后续可用于对实际酚醛树脂预浸料制件的加热曲线优化。
　　最后，结合加热曲线优化方法和测得的酚醛树脂预浸料固化动力学模型，得到了2.5mm厚度平板制件的优化加热曲线。通过模拟分析和比较了1.5mm、2mm和2.5mm厚度平板在直接升温到固化温度方式下固化的不均匀性，以及2.5mm厚度平板在生产实际中的加热曲线和优化后加热温度曲线下固化的不均匀性，并进行了相应的平板固化实验进行了验证。模拟结果表明：使用优化后的加热曲线，平板固化度场均匀性提高，实验结果表明：实际制件的变形较直接升温方式有减小，与工厂现有工艺获得的制件形状基本一致，但加热时间节省26.5％，显著提高了效率，初步证明了该优化方法的可行性。

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1 绪论

1.1研究背景及意义

1.2 研究现状

1.3 本文的主要研究内容和思路

2 AS4/3501-6复合材料平板固化过程的分析模拟

2.1 引言

2.2 复合材料固化的数学模型

2.3 复合材料固化温度场和固化度场的算例验证

2.4 复合材料固化温度场和固化度场均匀性的影响因素

2.5 本章小结

3 AS4/3501-6平板固化过程固化均匀性优化

3.1 固化度均匀性优化流程

3.2 有限元模拟及结果分析

3.3 固化度场均匀性优化

3.4 模压工艺算例

3.4 本章小结

4 酚醛树脂预浸料固化动力学研究

4.1 实验方法

4.2 固化动力学研究理论基础

4.3 固化反应过程分析

4.4 模型拟合法研究树脂固化动力学

4.5 本章小结

5 酚醛树脂平板加热温度曲线优化实验验证及分析

5.1 应力冻结模型

5.2 有限元模拟

5.3 实验及结果分析

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 全文总结

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文