復(fù)合材料殼體固化溫度場(chǎng)測(cè)試及共固化特性

陳書華 崔 紅 代盼耀

（西安航天復(fù)合材料研究所，西安 710025）

0 引言

復(fù)合材料殼體作為固體發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室關(guān)鍵部件，承受復(fù)雜力學(xué)、高溫燃?xì)獾榷喾N載荷作用，由多種材料體系構(gòu)成，例如，承受載荷的樹脂基纖維纏繞層，耐燒蝕的橡膠絕熱層及界面膠黏劑等［1-2］。目前，殼體所用的材料體系一般為熱固性復(fù)合材料，結(jié)合殼體成型特點(diǎn)，需要經(jīng)歷共固化過程才能獲得力學(xué)與理化性能。研究多材料體系的固化特性，確定合理的共固化工藝制度是殼體熱固化工藝的關(guān)鍵技術(shù)，若固化工藝制度不合理，不能有效覆蓋各種材料的共固化條件，導(dǎo)致某種材料固化不充分，影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)，甚至造成嚴(yán)重的質(zhì)量隱患［3-5］。

復(fù)合材料殼體共固化過程是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)傳熱條件下的熱傳遞和化學(xué)動(dòng)力學(xué)耦合過程［6-7］，過程機(jī)理復(fù)雜，內(nèi)部溫度場(chǎng)受芯模種類、結(jié)構(gòu)，材料體系等因素影響，難以精確量化計(jì)算，而溫度場(chǎng)影響材料的固化特性，固化過程產(chǎn)生的殘余熱應(yīng)力大，固化不充分直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)，甚至造成嚴(yán)重的質(zhì)量隱患。本文采用預(yù)埋熱電偶法測(cè)試了兩種固化制度下的殼體溫度場(chǎng)分布，并結(jié)合纏繞層、橡膠絕熱層材料本身的固化特性來確定材料是否能完全固化及性能變化。

1 殼體固化過程測(cè)溫

如圖1 所示，在直徑Φ1.4 m 砂芯模圓筒段成型圓筒試樣來模擬實(shí)際殼體。

圖1 復(fù)合材料圓筒結(jié)構(gòu)及測(cè)溫點(diǎn)位置Fig.1 Structure and temperature testing position for composite shell

具體步驟為：（1）砂芯模圓筒段表面涂刷脫模劑；（2）鋪貼2 層0.75 mm 厚的EPDM 絕熱層（湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所提供）；（3）筒段結(jié)構(gòu)層和加壓層分別采用F-3/EP-04 預(yù)浸料、玻纖/EP-04 預(yù)浸料干法環(huán)向纏繞成型，厚度分別為9 mm和0.6 mm；（4）內(nèi)部預(yù)埋K 型熱電偶。1#、2#圓筒分別采用1#、2#固化制度在固化爐中固化，1#固化制度最高保溫臺(tái)階為150 ℃/6 h，2#固化制度最高保溫臺(tái)階為155 ℃/14 h，初始加熱條件為室溫，固化升溫、降溫速率相同。采用OMRON 多功能記錄器（ZR-RX45）實(shí)時(shí)自動(dòng)采集溫度數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 復(fù)合材料圓筒溫度場(chǎng)分布

圖2 為1#、2#圓筒內(nèi)部溫度-固化時(shí)間曲線，圖2（a）為從固化第3個(gè)保溫臺(tái)階開始采集溫度數(shù)據(jù)，圖2（b）為從固化起始開始采集數(shù)據(jù)。結(jié)果顯示，圓筒內(nèi)部溫度與實(shí)際爐體溫度相比，存在明顯的滯后性；溫度場(chǎng)變化曲線以最高保溫段結(jié)束點(diǎn)為中心，呈近似拋物線分布；圓筒從外向內(nèi)存在明顯的溫度差降，熱量傳遞以從圓筒表面向內(nèi)部傳熱為主導(dǎo)，即固化爐產(chǎn)生的熱量首先通過熱空氣對(duì)流換熱傳遞到圓筒表面，然后再以熱傳導(dǎo)方式向圓筒內(nèi)部傳熱。

圖2 1#、2#圓筒內(nèi)部溫度-時(shí)間曲線Fig.2 Temperature-time curves of composite material case

2.2 EPDM 絕熱層共固化特性

2.2.1 EPDM 絕熱層本身硫化特性

EPDM絕熱層采用過氧化二異丙苯（DCP）硫化，與硫磺硫化相比，過氧化物的起始分解溫度高，硫化速度慢。圖3給出了EPDM絕熱層在不同溫度下的正硫化時(shí)間。結(jié)果顯示，隨著硫化溫度的降低，EPDM絕熱層達(dá)到正硫化點(diǎn)的時(shí)間大幅度增加，在130 ℃下需要7 h。

圖3 EPDM絕熱層在不同溫度下的正硫化時(shí)間Fig.3 EPDM optimum cure time with different time

2.2.2 圓筒內(nèi)部EPMD絕熱層溫度

表1 為兩種固化制度下EPDM 絕熱層內(nèi)表面溫度與持續(xù)時(shí)間。

表1 兩種固化制度下EPDM 絕熱層內(nèi)表面溫度與持續(xù)時(shí)間Tab.1 Inner surface time and holding time with two cure schedules of EPDM insulation

結(jié)果顯示，1#固化制度下，絕熱層內(nèi)表面溫度峰值溫度為130.1 ℃，130 ℃以上持續(xù)時(shí)間只有0.6 h；2#固化制度下，絕熱層內(nèi)表面溫度峰值溫度達(dá)到145.6 ℃，130 ℃以上持續(xù)時(shí)間為18.3 h。綜合前面研究結(jié)果，1#固化制度不能使絕熱層充分硫化，而2#固化制度能夠使絕熱層充分硫化，但裕度較大。

2.2.3 圓筒內(nèi)部EPMD絕熱層溫度差

圖4（a）為1#固化制度下EPDM絕熱層內(nèi)、外表面溫度差隨固化時(shí)間變化曲線。結(jié)果顯示，在150 ℃/6 h 保溫結(jié)束之前，EPDM 絕熱層內(nèi)、外表面溫度差非常小，為-0.2～0.2 ℃；在由150 ℃控制降溫到80 ℃過程中，波動(dòng)范圍0.4～1 ℃；80 ℃以后的自然降溫過程中，基本維持在0.65 ℃的差值，絕熱層外表面溫度高于絕熱層內(nèi)表面溫度。絕熱層溫度差小的直接原因?yàn)楹穸戎挥?.5 mm，內(nèi)、外表面容易達(dá)到熱平衡，對(duì)于絕熱層較厚的情況下，溫度差將非常明顯，所以，為保證絕熱層充分硫化，工程上以絕熱層內(nèi)表面溫度作為硫化溫度指標(biāo)。

圖4（b）顯示，在155 ℃下保溫3.2 h 至保溫結(jié)束階段，EPDM 絕熱層外表面溫度高于內(nèi)表面，隨著溫度升高，溫度場(chǎng)差值逐漸增大，在保溫結(jié)束后最大差值達(dá)到1.2 ℃左右，隨著程序控制降溫，差值逐漸降低，并且外表面溫度低于內(nèi)表面溫度。

圖4 1#、2#固化制度下的EPDM絕熱層內(nèi)、外表面溫度差-固化時(shí)間曲線Fig.4 Inner and outer surface temperature gradient-time curves of EPDM insulation with 1#and 2#cure schedule

2.3 復(fù)合材料纏繞層共固化特性

2.3.1 纏繞層固化特性

復(fù)合材料殼體纏繞層采用F-3/EP-04預(yù)浸料，EP-04為環(huán)氧型熱固性樹脂，通過動(dòng)態(tài)DSC測(cè)試及數(shù)據(jù)處理獲得EP-04樹脂凝膠、固化及后處理溫度為81.87 ℃、固化溫度為142.87 ℃，最高后處理溫度為218.87 ℃。采用的殼體最高固化溫度為155 ℃，低于理論最高后處理溫度218.87 ℃，不會(huì)發(fā)生EP-04樹脂基體由于固化溫度高而發(fā)生過熱。圖5為EP-04樹脂在不同溫度下恒溫固化6 h后的固化度。結(jié)果顯示，在125 ℃下固化6 h，EP-04樹脂固化度達(dá)到90%，基本已經(jīng)完全固化。

圖5 不同溫度（6 h）下EP-04樹脂的固化度Fig.5 EP-04 curing degree with different temperature（6h）

2.3.2 圓筒纏繞層內(nèi)部溫度

以纏繞層內(nèi)表面溫度作為固化溫度判據(jù)，得到兩種固化制度下纏繞層內(nèi)表面固化溫度與時(shí)間，如表2 所示。結(jié)果顯示，1#、2#兩種固化制度下，纏繞層都能夠完全固化。

表2 兩種固化制度下纏繞層內(nèi)表面溫度與持續(xù)時(shí)間Tab.2 Temperature and holding time of winding layers inner surface with two cure schedules

2.3.3 圓筒纏繞層內(nèi)部溫度差

圖6為1#、2#固化制度下的纏繞層內(nèi)、外表面溫度差隨固化時(shí)間變化曲線。圖6（a）顯示，在1#固化制度下，爐溫從130 ℃保溫結(jié)束升至150 ℃保溫臺(tái)階過程中，圓筒纏繞層內(nèi)、外表面溫度差快速增大，從14 ℃增大到22.5 ℃，這是由于纏繞層較厚，內(nèi)部溫度存在明顯的滯后性；在150 ℃保溫段，隨著熱量向內(nèi)部不斷傳遞，梯度逐漸縮小，但保溫段結(jié)束時(shí)仍有11 ℃的溫度差，直到程序控制降溫6 h后，纏繞層內(nèi)、外表面溫度才達(dá)到平衡，隨后，纏繞層內(nèi)表面溫度超過外表面溫度，熱量開始從芯模向外傳遞占據(jù)主導(dǎo)地位。圖6（b）顯示，在2#固化制度下，爐溫從130 ℃保溫結(jié)束升至155 ℃保溫臺(tái)階過程中，圓筒纏繞層內(nèi)、外表面溫度差快速增大，從10.2 ℃增大到17.1 ℃，在155 ℃/14 h保溫段結(jié)束時(shí)仍有4.27 ℃的梯度降，直到程序開始控制降溫一段時(shí)間后纏繞層內(nèi)、外表面溫度才達(dá)到平衡。隨后，纏繞內(nèi)表面溫度超過外表面溫度，熱量開始從芯模向外傳遞占據(jù)主導(dǎo)地位。

圖6 1#、2#固化制度下的纏繞層內(nèi)、外表面溫度差-固化時(shí)間曲線Fig.6 Inner and outer surface temperature gradient-time curves of winding layers with 1#and 2#cure schedule

綜上分析可知，2#固化制度下的纏繞層內(nèi)、外表面溫度差相對(duì)較小，這是因?yàn)?#固化制度在130 ℃保溫增加了2 h，最高保溫臺(tái)階由150 ℃提高到155 ℃，時(shí)間也延長(zhǎng)了8 h，使得固化爐向殼體內(nèi)部傳熱動(dòng)力更足，有充足的時(shí)間達(dá)到熱平衡。

2.3.4 升高溫度與延長(zhǎng)時(shí)間對(duì)殼體纏繞層力學(xué)性能的影響

采用F-3/EP-04 預(yù)浸料纏繞Φ150 mm 容器，對(duì)比兩種固化制度下Φ150 mm 容器的水壓爆破壓強(qiáng)，如表3 所示，結(jié)果說明，提高最高固化溫度與時(shí)間對(duì)Φ150 mm容器纖維層的承載力學(xué)性能無影響。

表3 兩種固化制度下Φ150 mm容器水壓爆破壓強(qiáng)Tab.3 Burst pressures of Φ150 mm vessel with two cure schedules

3 結(jié)論

（1）在固化升溫過程中，殼體內(nèi)部溫度與固化制度相比有明顯的滯后現(xiàn)象，測(cè)溫結(jié)果表明，殼體內(nèi)部的溫度-時(shí)間曲線呈近似拋物線，最高溫度點(diǎn)發(fā)生在最高固化保溫臺(tái)階結(jié)束時(shí)；

（2）纏繞層能在1#固化制度下固化，而橡膠絕熱層不能完全硫化，在提高最高固化溫度及延長(zhǎng)保溫時(shí)間的2#固化制度下，均能實(shí)現(xiàn)固化，提高固化溫度對(duì)纏繞層力學(xué)承載性能無影響；

（3）在1#、2#固化制度下，由于EPDM 絕熱層較薄，其內(nèi)部的溫度差小，而纏繞層由于厚度大，其溫度差大，因此提高最高固化溫度及時(shí)間有助于降低纏繞層溫度差。