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玻璃UV树脂化学流变行为的研究进展
发布日期:2013-07-09

   对于Rl,M工艺来说,在工艺实施过程中保持玻璃UV树脂低粘度特性至关重要。但玻璃UV树脂在浸润纤维预制体的同时会有固化反应发生,进而玻璃UV树脂结构与性能会时刻发生改变。近些年来,针对充填过程中玻璃UV树脂化学流变行为的特点,不少学者研究了不同玻璃UV树脂体系在充填过程中的固化特性,建立了玻璃UV树脂粘度与温度和时间的数学关系式。
  Kiuna等针对环氧胺类玻璃UV树脂体系,建立一个适用于RTM充模过程的粘度模型,玻璃UV树脂粘度表示为填充时间和温度的函数。Nafi妞kh等通过差示扫描量热(DSC)实验和流变实验相结合的方法,建立了DGEB刀DETDA80玻璃UV树脂体系的固化反应动力学模型,并提出了玻璃UV树脂填充过程中的化学流变模型,该模型中玻璃UV树脂粘度与温度和固化反应程度有关。Lee等1871针对LY564HY2954玻璃UV树脂体系,分别建立了玻璃UV树脂充填过程中的固化反应动力学模型和粘度模型,前者采用了考虑自催化效应和扩散效应的Kamal模型来描述,后者则是将玻璃UV树脂粘度表示为温度和固化反应程度的函数。结果表明,这两个模型能的预测充填过程中玻璃UV树脂的固化反应程度及粘度的变化。Mijvic针对环氧胺类玻璃UV树脂体系,分别建立了两个粘度模型,个是基于分支理论的分子模型,该模型是单体类型、工艺条件、材料结构与玻璃UV树脂性能之间的关系式,另一个模型则是基于自由体积概念的WLF模型。实验结果表明,等温条件下,两个模型的预测结果精度都比较高。在非等温条件下,分子模型比WLF模型将更适用。
  国内,很多学者针对不同的RTM专用玻璃UV树脂体系,采用DSC热分析技术和粘度测量手段,研究了充填过程中玻璃UV树脂体系的固化特性,并建立了双阿累尼乌斯粘度模型或工程粘度模型。
  灵敏度分析的目的在于确定模型中各参数对输出结果影响的大小,它可揭示各参数对输出结果的贡献率。对RTM充填过程进行灵敏度分析,则可定量描述各种工艺参数或材料参数对玻璃UV树脂流场的影响规律与程度。
  目前,对RTM工艺玻璃UV树脂浸润过程进行灵敏度分析的研究较少,仅有美国Minnesota大学T.amma教授课题组做了这方面的工作。研究人员通过对流动控制方程求偏导,推导了相关物理量灵敏度参数的数值计算式。采用有限元法离散控制方程,并祸合求解了流动控制方程及灵敏度控制方程,得到了等温充填条件下相关物理量场以及相关物理量的灵敏度场,并分析了玻璃UV树脂流速、注射压力及玻璃UV树脂粘度等参数对充填时间的影响规律及程度。在此基础上,该课题组成员探讨了非等温充填条件下相关参数对充填时间的影响规律及程度。但是,以上研究均忽略了充填过程中玻璃UV树脂的化学流变行为,不考虑边缘效应作用,也没有分析相关参数对玻璃UV树脂流动前沿的影响规律和程度。
  从上小节对RTM工艺研究进展的分析中不难发现,目前许多研究往往只局限于一种场量甚至一种场量中的一两个作用因素,建立的数学模型也相对简单。
  而Rl,M工艺玻璃UV树脂浸润充填过程是物理场、化学场与玻璃UV树脂材料结构一形态一性能发生变化的多因素交互作用的复杂过程,如图1一4所示。本论文试图向着更符合实际RTM工艺实际情况的目标前进一步,主要包括:考虑边缘效应作用,对温度场、玻璃UV树脂固化反应、玻璃UV树脂材料结构以及玻璃UV树脂流动行为之间的相互影响关系进行研究,深入分析RTM工艺充填过程中玻璃UV树脂浸润机理和动力学过程。为此,分别建立了边缘通道区域以及预制体区域内的玻璃UV树脂流动控制方程、温度场控制方程和玻璃UV树脂固化反应动力学模型,推导了反应过程中玻璃UV树脂结构参数的数学计算式,构建了工艺条件、反应动力学、产物结构以及材料性能之间的关系,确定了诸场量之间的藕合求解方法以及模拟技术路线。在此基础上,自主开发模拟核心程序,引入灵敏度分析方法,数值分析了复杂外场条件以及材料性能参数对玻璃UV树脂流动行为的影响规律及程度,揭示了纤维浸润、玻璃UV树脂固化以及预防缺陷形成的动力学过程。
  本课题的研究能够为提高复合材料性能、降低生产成本提供有益建议。本课题得到多项课题资助,包括国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(201OCB631102)一先进复合材料空天应用技术基础科学问题研究的02课题:复合材料的多尺度科学建模与表征;国家自然科学基金项目(50973056):纤维复合材料RTM制备过程的固化成型及脱模变形的研究;山东省自然科学杰出青年基金项目(JQ201016):高分子及其复合材料制备的建模与仿真。
  以RTM工艺玻璃UV树脂充填过程为研究对象,建立玻璃UV树脂反应、流动、传热等数学物理模型,数值求解连续性方程、动量方程、能量方程、玻璃UV树脂固化反应动力学方程、材料结构场方程以及化学流变本构方程等,着重固化反应程度、材料结构与性能、玻璃UV树脂流场的动态演变的数值分析,自主开发数值模拟软件的核心程序,从而实现化学反应一材料结构一材料性能一物理浸润一制品缺陷之间的集成研究。
  引入灵敏度分析的方法,分析不同的工艺参数对充填时间及玻璃UV树脂流动前沿的影响规律及程度。其数值模拟的技术路线如图1一5所示。

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