W jaki sposób gradient termiczny przez grubość płyty wpływa na profil utwardzania grubego laminatu kompozytowego?

Głęboki problem termiczny w utwardzaniu grubych kompozytów
Utwardzanie płyty z kompozytu włókna węglowego o grubości kilku cali nie przypomina utwardzania cienkiej skóry. Ciepło z nagrzanych płyt musi powoli przechodzić przez masę materiału od powierzchni do rdzenia przez długi czas. Jednocześnie system żywicy epoksydowej znajdujący się w sercu laminatu zaczyna reagować chemicznie, wytwarzając własne ciepło wewnętrzne w wyniku reakcji egzotermicznej.

Połączenie ciepła dostarczonego z zewnątrz i generowanego wewnętrznie ciepła chemicznego może spowodować znaczny i potencjalnie niebezpieczny skok temperatury w głębi laminatu. W najgorszym przypadku to wewnętrzne przeregulowanie może uszkodzić matrycę żywicy, zwiększyć zawartość pustych przestrzeni lub spowodować miejscową niekontrolowaną niestabilność cieplną.

Dlatego znajomość zachowania się grubego kompozytu przy utwardzaniu gradientem temperatury jest ważna dla regulowania jakości części w zaawansowanej produkcji kompozytów.

Płyta to kojące ciepło z zewnątrz; sercem tej części jest ukryty wewnątrz płonący piec.

Gradient termiczny przez grube laminaty: jego natura
Ogrzewanie powierzchniowe a opóźnienie rdzenia
Przenikanie ciepła rozpoczyna się na powierzchniach i postępuje do wewnątrz poprzez przewodzenie, gdy gruby laminat kompozytowy jest ściskany pomiędzy podgrzewanymi płytami dociskowymi. Warstwy zewnętrzne mające bezpośredni kontakt z płytą dociskową szybko reagują i osiągają wysokie temperatury na początku cyklu.

Jednak rdzeń laminatu ma opóźnioną reakcję na ciepło, ponieważ:

Niska przewodność cieplna materiałów kompozytowych

Opór cieplny wzrasta wraz z grubością

Przejścia fazowe żywicy pochłaniającej energię

Ograniczenia dyfuzji ciepła zależne od czasu

Powoduje to dużą różnicę temperatur na grubości części.

Efekt izolacyjny powłok zewnętrznych
Gdy na zewnątrz się nagrzewa, zaczynają służyć jako bariera termiczna dla rdzenia. Izolacja ta spowalnia utratę ciepła z rdzenia po rozpoczęciu procesu egzotermicznego.

Zanim fala cieplna dotrze do środka laminatu, szybkość reakcji żywicy może być bliska szczytowej, a wewnętrzne wytwarzanie ciepła może być szybkie.

Reakcja egzotermiczna i przekroczenie temperatury wewnętrznej
Chemiczne uwalnianie ciepła w systemach epoksydowych
Utwardzanie żywicy epoksydowej jest procesem egzotermicznym, tzn. podczas sieciowania molekularnego wydziela się ciepło. Ilość i szybkość wydzielania ciepła można określić ilościowo za pomocą różnicowej kalorymetrii skaningowej (DSC), aby uzyskać dane dotyczące entalpii i kinetyki reakcji.

W grubych laminatach reakcja ta może-samoistnie wzmacniać się:

Szybkość reakcji wzrasta wraz ze wzrostem temperatury

Im szybsza reakcja, tym więcej ciepła się wydziela

Dodatkowe ciepło jeszcze bardziej zwiększa temperaturę

Pętla sprzężenia zwrotnego może generować silny pik temperatury wewnętrznej.

Izolacja termiczna rdzenia
Po rozpoczęciu reakcji egzotermicznej w obszarze jądra odprowadzenie ciepła staje się trudne, ponieważ:

Warstwy zewnętrzne już w podwyższonej temperaturze

Gradienty temperatury zmniejszają strumień ciepła na zewnątrz

Kompozyt ogranicza przewodzące rozpraszanie ciepła

Lokalna kontrola temperatury płyty jest zbędna

Może to skutkować wzrostem temperatury wewnętrznej o kilkadziesiąt stopni powyżej wartości zadanej płyty dociskowej i wysokim niebezpieczeństwem przeregulowania termicznego.

Kontrola utwardzania za pomocą profilu temperatury płyty
Znaczenie kontrolowanych ramp grzewczych.
W przypadku grubych laminatów ogólnie niedopuszczalne jest stosowanie jednoetapowego utwardzania w wysokiej temperaturze. Zamiast tego stosuje się wieloetapowe-cykle utwardzania w celu regulacji interakcji między zewnętrznymi i wewnętrznymi źródłami ciepła.

Normalna procedura to:

Początkowy pobyt w niskiej temperaturze (etap dyfuzji)

Pośredni okres namaczania (kontrolowana inicjacja reakcji)

Końcowe utwardzanie w wysokiej temperaturze (pełne sieciowanie)

Etap niskotemperaturowy pozwala na bardziej równomierną dyfuzję ciepła, przy czym prawdopodobieństwo wystąpienia stromych gradientów przed znaczną reakcją egzotermiczną jest mniejsze.

Bilans cieplny w zarządzaniu egzotermicznym
Profil utwardzania ma na celu zapewnienie, że:

Dopływ ciepła z płyt jest powolny

Reakcja żywicy nie jest wcześnie zlokalizowana

Gradienty temperatury nadal regulowane

Szczyt egzotermy jest rozłożony w czasie

Odpowiednio zaprojektowane cykle pozwalają laminatowi „oddychać” termicznie i zapobiegają nagłemu gromadzeniu się-energii wewnętrznej.

Rola termicznej MES w projektowaniu utwardzania
Symulacja zmian temperatury w grubości
Do modelowania utwardzania grubych konstrukcji kompozytowych często wykorzystuje się termiczną analizę elementów skończonych (FEA). Symulacje obejmują:

Właściwości materiału w funkcji temperatury

Kinetyka reakcji żywicy na podstawie danych DSC

Zmiana przewodności cieplnej podczas utwardzania

Ciepło reakcji

Warunki brzegowe ogrzewania płyty

Termiczna MES rozwiązuje przejściowe równania wymiany ciepła, aby określić historię temperatury w każdym miejscu wzdłuż grubości laminatu.

Przewidywanie gorących punktów i pików egzotermicznych
Termiczną MES można wykorzystać do obliczenia:

Lokalizacje maksymalnej temperatury wewnętrznej

Moment wystąpienia szczytu egzotermicznego

Wielkość przekroczenia temperatury

Skuteczność profilu rampy leczniczej

strefy zagrożenia degradacją termiczną

Ta umiejętność prognozowania jest niezbędna do uniknięcia usterek wewnętrznych w grubych systemach kompozytowych.

Praktyczne implikacje dla projektowania i działania płyt dociskowych
Jednolitość temperatur płyty
Grube elementy mogą zyskać dzięki lepszym gradientom termicznym dzięki-nierównomiernemu ogrzewaniu płyty dociskowej. Powierzchnia płyty może różnić się w następujący sposób:

Zróżnicowane wskaźniki wyleczeń.

Generowanie wewnętrznych naprężeń szczątkowych

Zlokalizowane gorące punkty

Zniekształcona geometria laminatu

Dlatego konieczna jest wysoce kontrolowana jednorodność temperatury płyty dociskowej.

Integracja monitorowania procesów.
Zaawansowane systemy utwardzania często obejmują:

Termopary osadzone w laminacji.

Czujniki temperatury powierzchni płyt

Systemy kontroli sprzężenia zwrotnego w czasie rzeczywistym

Wylecz rejestrację danych weryfikacyjnych

Systemy te przyczyniają się do zapewnienia, że ​​modelowane zachowanie termiczne jest spójne z rzeczywistymi warunkami procesu.

Wniosek
Proces utwardzania grubego laminatu kompozytowego jest kontrolowany przez skomplikowaną interakcję pomiędzy ciepłem z zewnętrznej płyty dociskowej a ciepłem wynikającym z wewnętrznej reakcji egzotermicznej. Znaczące przekroczenie temperatury wewnętrznej na całej grubości laminatu może wystąpić w przypadku wystąpienia silnych gradientów termicznych, w których rdzeń materiału staje się znacznie cieplejszy niż sama płyta dociskowa.

Kontrolowanie tego zachowania wymaga precyzyjnie dostosowanych, wieloetapowych-profilów utwardzania, wspomaganych kompleksowymi symulacjami termicznymi FEA, wykorzystującymi zarówno fizykę przenoszenia ciepła, jak i kinetykę reakcji żywicy. Kontrolowane rampy nagrzewania i zatwierdzone modele termiczne pomagają w łagodzeniu szczytowych temperatur wewnętrznych, dzięki czemu można osiągnąć równomierne utwardzanie i wysoką integralność strukturalną.

Jednak największych i najmocniejszych konstrukcji kompozytowych nie tworzy się przez ogrzewanie.-Robi się je poprzez kontrolowanie własnej reakcji termicznej materiału, ukrytego przepływu ciepła i-indukowanego przez reakcję bicia serca termicznego.