模具对复合材料构件固化变形的影响探究

模具对复合材料构件固化变形的影响探究

于国章

河北益涛复合材料有限公司

摘 要：热压罐成型工艺是一个纷繁复杂的综合性过程,很多复合材料构件通常是由模具和负荷材料内部构件出现不匹配才会造成 沿厚度方向与面内各种固化参与应力的发展,在得到固化后很多参与应力会沿着构件整体厚度方向开始发生变化。另外,残余应力分 布不均匀也会对复合材料构件固化变形产生很大影响。基于此本文将模具对复合材料构件固化变形的影响这个角度作为出发点,对其展开深入全面探讨与论述。

关键词：模具；复合材料；固化工艺；残余应力

1 绪论

热压罐在整体化成型过程当中模具和复合材料构件两者之间的温度如果发生不匹配的现象,在一定程度上将会造成符合材料构件 固化残余应力发生很大作用进而造成固体发生变形。由于受到内部压力的影响复合材料内部构件会作用在模具表面,由于热胀冷缩 将会造成模具和复合材料两者之间互相发生作用来造成复合材料构件固化发生变形。

2 对于模具和构件相互作用机制分析

模具和复合材料构件两者是一种非常密切的关系,通常情况下,如果模具和复合材料构件中的温度膨胀系数出现不匹配时将会造成固化发生变形^[1]另外,很多与模具表面接近的符合材料中富树脂纤维分布不均匀,在复合材料成型工艺过程当中单面吸胶和抽真 空出现不当将会对工艺成型结果产生很大影响。一般情况下使用最多的方式是把预吸胶和真空嘴的合理位置来减小复合材料构件 接近模具端的富树脂区。通过依照树脂基体中的凝胶点与玻璃温态温度来把整个工艺成型过程分为以下三个不同阶段：黏性液体、弹性固体与发生变化的弹性固体状态。当树脂基体处在黏性液体这个阶段是,由于树脂是一种液体具有一定流动性,所以符合材 料构件和模具两者之间的发生的作用就会非常小,然而在树脂处于弹性固体阶段时,复合材料内部构件会出现一种非常大的模量,当模具和复合材料两者之间产生剪切应力时,这个时候复合材料内部构件会出现一种拉应力,然而在其整个厚度方向分布上还是处于一种均匀状态,并不会出现应力梯度的发生,在对其进行脱模之后构件会由弹性逐渐开始发生变形最终会恢复到原始状态,并不会引 起符合材料构件出现翘曲变形的情况发生。

3 关于模具对复合材料构件固化变形的影响探究

3.1 关于使用光纤光栅方法来说明模具和复合材料的关系和作用分析

光纤布拉格光栅是一种现代化、创新型技术,通常情况下这种方式的工作原理是通过测量布拉格中心反射峰波长产生的变化来得 到被测量相关信息参数。通过引起光纤光栅发生折射率的变化来造成布拉格波长发生不同程度的变化,尤其应变在光纤光栅上发生 作用之后,整个光栅形态会开始出现拉伸变化。与此同时光弹效应在一定程度上也会造成折射率出现不同程度的变化,除此之外,当 温度场在光纤光栅上面发生作用时,光纤材料会出现热胀冷缩的现象,进而造成很多热量来发生变化,并且纤芯折射率在很大程度上 会伴随着温度的升高或者降低出现很大变化。在测定光纤光栅中的应变灵敏系数与温度灵敏系数时,可以通过应变与温度变化来造 成布拉格中心波长发生漂移^[2]要想让光纤光栅中的布拉格波长发生变化,在对其进行监测的过程当中必须获取同一时刻中的构件 温度,相关工作人员应该在构件内部埋设热电偶来监测固化过程当中的温度变化,光纤布拉格光栅和热电偶采集到的各种信息监测 数据通常情况下是由解调仪与信息数据之间的转换来与计算机进行有效连接,然后再通过计算机应用程序来对其进行综合记录。

3.2 关于复合材料成型工艺固化过程分析

复合材料成型工艺过程是一个综合性复杂过程。通常情况下,不同类型工艺之间都存在各种优点和缺点。对于热固性树脂复合材料成 型技术一般都会选择使用热压罐成型、树脂传递模型或者真空辅助灌注这种方式成型。一般情况下,固化工艺过程当中的很多复合材料通常会经过以下几个过程：首先,流动阶段,这个阶段中的树脂整体粘度非常小,大部分树脂一般都处于一种流动性液体状态。在相关压力的作用之下,很多預浸料层之前的大量空气会被挤出,预成型体也会进一步得到压实。另外还可以使用吸胶铺贴的方式来 进行操作,吸胶会在很短时间内吸收很多溢出到外部的树脂。并且会随着温度的持续不断提升树脂的整体固化度也会进一步得到增 加,整个树脂固化度也会进一步得到增加。并且粘度会开始越来越大,这个时候的树脂整体流动性就会变得越来越困难,在达到固定 的凝胶点时树脂就会开始处于一种停止状态,并且还会对复合材料的整体厚度与纤维体积造成很大影响。其次,凝胶玻璃化阶段,这 个阶段的工艺温度在一定程度上会大于树脂玻璃化中转变的温度,当复合材料处于橡胶状态时期时,整个树脂温度会持续走高并且树脂的固化速度也会进一步加快,与此同时树脂在固化的过程当中内部的大量分子也开始发生很大变化。虽然,高温状态下树脂的粘 弹性会非常强,然而处于这个阶段的松弛时间却非常小,这种树脂状态和玻璃状态相比较俩或整体模量并不是很大。处于凝胶和玻璃化状态的树脂固化反应非常激烈,尤其在接近玻璃化点时大量树脂会表现出一种非常强的黏弹性,树脂固化收缩也是在这个阶段发生的。最后,脱模阶段,复合材料构件在发生脱模之后会对构件进行切割和修整,在对其进行其他操作是也会影响整个构件的残余应力。

4 总结

复合材料和模具两者之间的匹配程度在很大程度将会影响复合材料构件固化发生变形的程度,并且在这个成型过程当中发生应变还会引起其他构件固化之后的翘曲变形的情况发生,因此,相关工作人员一定要掌握好复合材料和模具之间的匹配程度。

参考文献：

1. 王仁宇,关志东,王乾,等。复合材料Ⅴ型构件的固化变形预测及其工装型面设计[J]。材料导报,2017,31（2）：130-135。

[2]刘林鑫,丛晶洁,刘凯,等。非热压罐工艺模具对复合材料加筋壁板固化变形影响的有限元分析[J]。复合材料学报,2018,35（2）： 347-355。