模具對復(fù)合材料構(gòu)件固化變形的影響探究

鄺起智

摘 要：熱壓罐成型工藝是一個紛繁復(fù)雜的綜合性過程，很多復(fù)合材料構(gòu)件通常是由模具和負(fù)荷材料內(nèi)部構(gòu)件出現(xiàn)不匹配才會造成沿厚度方向與面內(nèi)各種固化參與應(yīng)力的發(fā)展，在得到固化后很多參與應(yīng)力會沿著構(gòu)件整體厚度方向開始發(fā)生變化。另外，殘余應(yīng)力分布不均勻也會對復(fù)合材料構(gòu)件固化變形產(chǎn)生很大影響?；诖吮疚膶⒛＞邔?fù)合材料構(gòu)件固化變形的影響這個角度作為出發(fā)點(diǎn)，對其展開深入、全面探討與論述。

關(guān)鍵詞：模具；復(fù)合材料；固化工藝；殘余應(yīng)力

1 緒論

熱壓罐在整體化成型過程當(dāng)中模具和復(fù)合材料構(gòu)件兩者之間的溫度如果發(fā)生不匹配的現(xiàn)象，在一定程度上將會造成符合材料構(gòu)件固化殘余應(yīng)力發(fā)生很大作用進(jìn)而造成固體發(fā)生變形。由于受到內(nèi)部壓力的影響復(fù)合材料內(nèi)部構(gòu)件會作用在模具表面，由于熱脹冷縮將會造成模具和復(fù)合材料兩者之間互相發(fā)生作用來造成復(fù)合材料構(gòu)件固化發(fā)生變形。

2 對于模具和構(gòu)件相互作用機(jī)制分析

模具和復(fù)合材料構(gòu)件兩者是一種非常密切的關(guān)系，通常情況下，如果模具和復(fù)合材料構(gòu)件中的溫度膨脹系數(shù)出現(xiàn)不匹配時將會造成固化發(fā)生變形。[1]另外，很多與模具表面接近的符合材料中富樹脂纖維分布不均勻，在復(fù)合材料成型工藝過程當(dāng)中單面吸膠和抽真空出現(xiàn)不當(dāng)將會對工藝成型結(jié)果產(chǎn)生很大影響。一般情況下使用最多的方式是把預(yù)吸膠和真空嘴的合理位置來減小復(fù)合材料構(gòu)件接近模具端的富樹脂區(qū)。通過依照樹脂基體中的凝膠點(diǎn)與玻璃溫態(tài)溫度來把整個工藝成型過程分為以下三個不同階段：黏性液體、彈性固體與發(fā)生變化的彈性固體狀態(tài)。當(dāng)樹脂基體處在黏性液體這個階段是，由于樹脂是一種液體具有一定流動性，所以符合材料構(gòu)件和模具兩者之間的發(fā)生的作用就會非常小，然而在樹脂處于彈性固體階段時，復(fù)合材料內(nèi)部構(gòu)件會出現(xiàn)一種非常大的模量，當(dāng)模具和復(fù)合材料兩者之間產(chǎn)生剪切應(yīng)力時，這個時候復(fù)合材料內(nèi)部構(gòu)件會出現(xiàn)一種拉應(yīng)力，然而在其整個厚度方向分布上還是處于一種均勻狀態(tài)，并不會出現(xiàn)應(yīng)力梯度的發(fā)生，在對其進(jìn)行脫模之后構(gòu)件會由彈性逐漸開始發(fā)生變形最終會恢復(fù)到原始狀態(tài)，并不會引起符合材料構(gòu)件出現(xiàn)翹曲變形的情況發(fā)生。

3 關(guān)于模具對復(fù)合材料構(gòu)件固化變形的影響探究

3.1 關(guān)于使用光纖光柵方法來說明模具和復(fù)合材料的關(guān)系和作用分析

光纖布拉格光柵是一種現(xiàn)代化、創(chuàng)新型技術(shù)，通常情況下這種方式的工作原理是通過測量布拉格中心反射峰波長產(chǎn)生的變化來得到被測量相關(guān)信息參數(shù)。通過引起光纖光柵發(fā)生折射率的變化來造成布拉格波長發(fā)生不同程度的變化，尤其應(yīng)變在光纖光柵上發(fā)生作用之后，整個光柵形態(tài)會開始出現(xiàn)拉伸變化。與此同時光彈效應(yīng)在一定程度上也會造成折射率出現(xiàn)不同程度的變化，除此之外，當(dāng)溫度場在光纖光柵上面發(fā)生作用時，光纖材料會出現(xiàn)熱脹冷縮的現(xiàn)象，進(jìn)而造成很多熱量來發(fā)生變化，并且纖芯折射率在很大程度上會伴隨著溫度的升高或者降低出現(xiàn)很大變化。在測定光纖光柵中的應(yīng)變靈敏系數(shù)與溫度靈敏系數(shù)時，可以通過應(yīng)變與溫度變化來造成布拉格中心波長發(fā)生漂移。[2]要想讓光纖光柵中的布拉格波長發(fā)生變化，在對其進(jìn)行監(jiān)測的過程當(dāng)中必須獲取同一時刻中的構(gòu)件溫度，相關(guān)工作人員應(yīng)該在構(gòu)件內(nèi)部埋設(shè)熱電偶來監(jiān)測固化過程當(dāng)中的溫度變化，光纖布拉格光柵和熱電偶采集到的 各種信息監(jiān)測數(shù)據(jù)通常情況下是由解調(diào)儀與信息數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換來與計(jì)算機(jī)進(jìn)行有效連接，然后再通過計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序來對其進(jìn)行綜合記錄。

3.2 關(guān)于復(fù)合材料成型工藝固化過程分析

復(fù)合材料成型工藝過程是一個綜合性復(fù)雜過程。通常情況下，不同類型工藝之間都存在各種優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。對于熱固性樹脂復(fù)合材料成型技術(shù)一般都會選擇使用熱壓罐成型、樹脂傳遞模型或者真空輔助灌注這種方式成型。一般情況下，固化工藝過程當(dāng)中的很多復(fù)合材料通常會經(jīng)過以下幾個過程：首先，流動階段，這個階段中的樹脂整體粘度非常小，大部分樹脂一般都處于一種流動性液體狀態(tài)。在相關(guān)壓力的作用之下，很多預(yù)浸料層之前的大量空氣會被擠出，預(yù)成型體也會進(jìn)一步得到壓實(shí)。另外還可以使用吸膠鋪貼的方式來進(jìn)行操作，吸膠會在很短時間內(nèi)吸收很多溢出到外部的樹脂。并且會隨著溫度的持續(xù)不斷提升樹脂的整體固化度也會進(jìn)一步得到增加，整個樹脂固化度也會進(jìn)一步得到增加。并且粘度會開始越來越大，這個時候的樹脂整體流動性就會變得越來越困難，在達(dá)到固定的凝膠點(diǎn)時樹脂就會開始處于一種停止?fàn)顟B(tài)，并且還會對復(fù)合材料的整體厚度與纖維體積造成很大影響。其次，凝膠玻璃化階段，這個階段的工藝溫度在一定程度上會大于樹脂玻璃化中轉(zhuǎn)變的溫度，當(dāng)復(fù)合材料處于橡膠狀態(tài)時期時，整個樹脂溫度會持續(xù)走高并且樹脂的固化速度也會進(jìn)一步加快，與此同時樹脂在固化的過程當(dāng)中內(nèi)部的大量分子也開始發(fā)生很大變化。雖然，高溫狀態(tài)下樹脂的粘彈性會非常強(qiáng)，然而處于這個階段的松弛時間卻非常小，這種樹脂狀態(tài)和玻璃狀態(tài)相比較倆或整體模量并不是很大。處于凝膠和玻璃化狀態(tài)的樹脂固化反應(yīng)非常激烈，尤其在接近玻璃化點(diǎn)時大量樹脂會表現(xiàn)出一種非常強(qiáng)的黏彈性，樹脂固化收縮也是在這個階段發(fā)生的。最后，脫模階段，復(fù)合材料構(gòu)件在發(fā)生脫模之后會對構(gòu)件進(jìn)行切割和修整，在對其進(jìn)行其他操作是也會影響整個構(gòu)件的殘余應(yīng)力。

4 總結(jié)

復(fù)合材料和模具兩者之間的匹配程度在很大程度將會影響復(fù)合材料構(gòu)件固化發(fā)生變形的程度，并且在這個成型過程當(dāng)中發(fā)生應(yīng)變還會引起其他構(gòu)件固化之后的翹曲變形的情況發(fā)生，因此，相關(guān)工作人員一定要掌握好復(fù)合材料和模具之間的匹配程度。

參考文獻(xiàn)：

[1]王仁宇，關(guān)志東，王乾，等.復(fù)合材料Ⅴ型構(gòu)件的固化變形預(yù)測及其工裝型面設(shè)計(jì)[J].材料導(dǎo)報(bào)，2017，31（2）：130-135.

[2]劉林鑫，叢晶潔，劉凱，等.非熱壓罐工藝模具對復(fù)合材料加筋壁板固化變形影響的有限元分析[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2018，35（2）：347-355.