復合材料固化工藝評價與優化虛擬仿真實驗

李艷霞，顧軼卓，李 敏，王紹凱，張佐光

復合材料固化工藝評價與優化虛擬仿真實驗

李艷霞，顧軼卓，李 敏，王紹凱，張佐光

（北京航空航天大學 材料科學與工程學院 北京市材料科學與工程實驗教學示范中心，北京 100191）

該實驗集成科研積累的材料性能數據開發形成數據庫，設計并構建材料工藝性分析和復合材料成型固化過程虛擬仿真平臺，學生可快速分析樹脂體系的固化特性、設計和評價工藝制度、探究制件結構因素對工藝制度和工藝窗口的影響。利用計算機技術的該虛擬仿真實驗，避免了常規實驗中設備、原材料、實驗條件等因素的限制，可開展多因素、多條件下的虛擬實驗，增大了變量的選擇、設計和分析范圍，激發了學生進行主動思考的積極性，對學生進行知識實踐和知識擴展以及創新能力提升具有很好作用。

復合材料；固化工藝；虛擬仿真

先進樹脂基復合材料具有比強度高、可設計性強、抗疲勞斷裂性能好、耐腐蝕、結構尺寸穩定性好、便于大面積整體成型以及電磁性能可調等特點，是航空航天裝備的關鍵材料之一。復合材料用量已經成為飛行器先進性的重要標志[1-3]。復合材料成型過程涉及復雜的物理化學變化，固化工藝曲線的選擇和設計是影響產品質量的重要因素。樹脂固化過程中發生化學反應時，復合材料內部的溫度分布不僅依賴于模具提供的外熱源，還與樹脂固化反應的放熱量有關，外部熱源與內部熱源相互作用，形成復雜的溫度梯度分布和變化。而非均勻固化使材料內部應力積累，導致材料內部局部出現分層、裂紋、孔隙以及變形等缺陷。因此，選擇合理的固化工藝曲線對于復合材料成型質量控制具有重要意義[4-8]。

本實驗集成科研過程積累的材料性能數據開發數據庫系統，并基于樹脂體系的固化動力學模型，開發出材料工藝性分析模塊，用以快速分析樹脂體系固化特性、設計和評價工藝制度、完成材料體系工藝性分析和探究實驗。在此基礎上，將材料數據庫與復合材料熱壓罐固化仿真模塊相結合，計算并分析復合材料制件成型過程的溫度和固化度均勻性，探究制件結構因素對工藝制度和工藝窗口的影響，對學生深入理解工藝制度在復合材料成型制備中的重要性以及工藝調控方法具有重要意義。

1 實驗設計和實驗設備

基于虛擬仿真實驗平臺，學生可選擇材料體系，設計固化工藝制度并對其進行評價，探索所選材料體系的固化工藝窗口，分析制件厚度對溫度均勻性、放熱峰、玻璃化轉變溫度等的影響，深入理解工藝制度對復合材料成型質量的影響。本實驗所用設備包括計算機、先進樹脂基復合材料熱壓罐成型固化仿真模擬軟件等。

實驗方案及技術路線如圖1所示。

圖1 實驗方案及技術路線

2 實驗步驟

2.1 選擇材料類型

基于復合材料熱壓罐成型固化仿真模擬平臺，在材料數據庫界面選擇材料類型，包括樹脂體系、復合材料、蜂窩材料、模具材料和輔助材料等，選擇樹脂體系后，可以查看所選樹脂體系的固化動力學模型參數。

2.2 選擇材料體系

基于材料工藝性分析窗口選擇材料體系，如X850樹脂體系[9]；點擊升溫設置按鈕設計不同的溫度曲線，如分別設置5 ℃/min、10 ℃/min、15 ℃/min、20 ℃/min。可以計算得到如圖2所示的固化度變化率隨溫度的變化曲線，從而分析得到樹脂開始發生固化反應的溫度，即固化起始溫度i、固化度變化率達到最大時放熱峰值溫度p、固化度達到最大值不再發生變化時的溫度即固化終止溫度f，如圖3所示。由圖2和圖3可知，隨著升溫速率的增加，放熱峰向高溫方向移動，同時固化起始溫度和固化終止溫度也相應地向高溫移動，通過外推法可以得到升溫速率為零時的特征溫度[10]，即起始溫度i、峰值溫度p、終止溫度f分別為 130 ℃、200 ℃、258 ℃。

圖2 X850樹脂體系不同升溫速率下固化度變化率隨溫度的變化情況

圖3 X850樹脂體系特征溫度隨溫度的變化情況

2.3 設計工藝制度

在材料工藝性分析模塊，根據樹脂體系的起始反應溫度和峰值溫度設計工藝制度，并分析其固化反應過程以及樹脂固化度等材料性能，評價工藝制度的合理性。

針對X850樹脂體系，分析兩種不同的工藝制度。一是采用3 ℃/min的升溫速率直接升至固化溫度 180 ℃，保溫2 h后，以－3 ℃/min的速率降溫到室溫；二是對升溫過程進行調整，采用3 ℃/min的升溫速率升至120 ℃，隨后采用0.5 ℃的升溫速率升至150 ℃，再以3 ℃/min的速率升至固化溫度180 ℃，保溫2 h后以－3 ℃/min的速率降至室溫。兩種工藝制度下的固化度隨時間變化規律如圖4所示。當采用3 ℃/min速率直接升溫至180 ℃時，固化度變化比較劇烈，而在第二種工藝制度條件下，從開始固化反應到達到95%固化度的時間歷程明顯加長。對于大厚度層板，由于第二種工藝制度固化過程熱量緩慢釋放，更有利于減小層板內部溫差并提高固化均勻性。

圖4 X850樹脂體系在兩種工藝制度下的固化度隨時間變化曲線

2.4 分析材料工藝性

在材料工藝性分析模塊，改變升溫速率、固化溫度及恒溫時間，設計得到不同的工藝制度，并計算不同工藝制度條件下的樹脂固化歷程曲線，分析升溫速率、固化溫度和恒溫時間等因素對樹脂最終固化度以及固化工藝總時間的影響，確定不同樹脂固化度的工藝窗口。這些對于制件的制備工藝優化具有重要的指導意義。

針對前述X850樹脂體系的第一種固化制度，考察了不同恒溫時間對樹脂體系最終固化度的影響，如圖5所示。恒溫時間分別設置為30 min、45 min、 60 min、90 min、120 min，從而可根據樹脂體系最終固化度的需求，決定不同的恒溫時間。

圖5 X850樹脂體系的最終固化度隨恒溫時間的變化

2.5 分析溫度和固化數據

在等厚層板熱傳導/固化反應仿真模塊，基于傅立葉熱傳導理論和樹脂固化反應動力學方程，采用有限元方法，計算典型的等厚層板封裝體系內部溫度傳遞和樹脂固化反應規律，分析厚度對溫度和固化度以及工藝窗口的影響。

2.5.1 復合材料熱壓罐成型熱傳導/樹脂固化反應的數值模擬原理

復合材料固化過程是一個在低熱傳導率、各向異性材料內進行的、具有內熱源的化學反應過程。在復合材料固化過程中，固化度和溫度是一種強耦合關系，不僅樹脂固化反應程度受溫度影響，同時樹脂反應放熱也引起溫度變化。假定：（1）忽略樹脂流動引起的熱量傳遞；（2）復合材料內部同一位置樹脂和纖維的溫度相同；（3）不考慮層板內孔隙的影響。則基于傅立葉熱傳導定律和能量平衡關系，得到如下包含內熱源各向異性材料的三維瞬態熱傳導控制微分方程[5]：

采用Kamal動力學模型表征樹脂的固化歷程，其模型為式（3）：

式（2）、（3）中，u為整個反應過程總放熱量；A為指前因子；E為反應活化能；R為氣體常數；為固化度；和為反應級數。

假如初始條件為：整個體系溫度分布均勻，固化度為0，即：

根據復合材料熱壓罐成型工藝特點，采用對流換熱邊界條件如式（5）：

式中，a為環境溫度，為對流換熱系數，x、y、z分別為表面與各坐標軸夾角的方向余弦。

2.5.2 復合材料層板固化成型過程仿真

根據復合材料熱壓罐成型工藝特點，針對如圖6所示的材料，施加對流換熱邊界進行熱傳導/樹脂固化反應過程仿真。在材料數據庫中選擇材料體系及牌號，可以查看所選材料的基本性能，如密度、比熱容、導熱系數等，所選材料的基本性能參數通過程序直接傳到計算仿真模塊[11-12]。

圖6 復合材料固化過程中的能量傳遞

根據有限元計算要求，在前處理軟件中完成幾何模型建模、網格剖分、幾何模型材料屬性定義和邊界條件設置，如圖7所示。點擊開始計算按鈕，開始復合材料層板熱傳導/固化成型過程的模擬計算。

圖7 網格模型

2.5.3 溫度和固化度數據分析

針對X850樹脂基復合材料，將鋪層厚度分別設置為5 mm、10 mm、20 mm、30 mm，計算得到不同厚度復合材料時內部的溫度和固化度分布及工藝過程的變化規律，分析厚度對層板內溫差和固化度均勻性的影響，并針對大厚度復合材料制件設計合理的工藝制度。圖8為不同厚度復合材料層板內部溫差隨工藝時間的變化情況。由圖8可知，相同的工藝制度下，隨著層板厚度的增加，層板內最大溫差明顯增大。圖9為30 mm復合材料層板模型中，內部典型位置的溫度隨工藝時間的變化曲線。由圖9可知，隨著外界溫度的升高，不同位置的溫差增大；樹脂體系開始發生固化反應后，層板內部溫度明顯升高，溫差增大；隨著恒溫時間的延長，溫差逐漸減小；降溫階段隨外界溫度的快速變化，層板內降溫明顯滯后，從而產生較大溫差。

圖8 不同厚度復合材料層板內部溫差隨工藝時間的變化情況

圖9 30 mm復合材料層板內部典型位置溫度隨工藝時間的變化

3 結語

本實驗集成科研過程積累的材料性能數據開發數據庫系統，并基于樹脂體系的固化動力學模型，開發出材料工藝性分析模塊，用以快速分析樹脂體系固化特性、設計和評價工藝制度、完成材料體系工藝性分析和探究實驗。在此基礎上，將材料數據庫與復合材料熱壓罐固化仿真模塊相結合，計算并分析復合材料制件成型過程溫度和固化度均勻性，探究制件結構因素對工藝制度和工藝窗口的影響，幫助學生深入理解工藝制度在復合材料成型制備中的重要性以及調控方法。

利用計算機技術的該虛擬仿真實驗，避免了常規實驗中設備、原材料、實驗條件等因素的限制，可開展多因素、多條件下的虛擬實驗，增大了變量選擇、設計和分析的范圍，激發了學生進行主動思考的積極性，對于學生進行知識實踐和知識擴展以及創新能力提升具有很好作用。

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Virtual experiment on evaluation and optimization of composite curing process

LI Yanxia, GU Yizhuo, LI Min, WANG Shaokai, ZHANG Zuoguang

(Beijing Experimental Teaching Demonstration Center for Materials Science and Engineering, School of Materials Science and Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China)

This experiment integrates the data of material properties accumulated by scientific research to form a database, and designs and constructs a virtual simulation platform for material process analysis and composite material forming and curing process. Students can quickly analyze the curing characteristics of resin systems, design and evaluate process systems, and explore the effects of structural factors on process systems and process windows. The virtual simulation experiment with computer technology avoids the restrictions of equipment, raw materials, experimental conditions, etc., in conventional experiments. It can carry out multi-factor and multi-condition virtual experiment, which enlarges the range of variable selection, design and analysis, stimulates students’ initiative to think actively, and plays a very good role in students’ knowledge practice, knowledge expansion and innovation ability enhancement.

composite materials; curing process; virtual simulation

G642.0；TB332

A

1002-4956(2019)12-0170-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.12.040

2019-04-08

李艷霞（1977—），女，山東德州，博士，高級實驗師，研究方向為先進樹脂基復合材料。E-mail: liyanxia@buaa.edu.cn