Kuidas mõjutab plaadi paksust läbiv termiline gradient paksu komposiitlaminaadi kõvenemisprofiili?

Sügav termiline probleem paksude komposiitmaterjalide kõvenemisel
Mitme tolli paksuse süsinikkiust komposiitplaadi kuivatamine ei ole nagu õhukese naha kuivatamine. Kuumutatud plaatide soojus peab pika aja jooksul aeglaselt läbima materjali massi pindadelt südamikuni. Samal ajal hakkab laminaadi südames olev epoksüvaigusüsteem keemiliselt reageerima, tekitades eksotermilise reaktsiooni kaudu oma sisemist soojust.

Väljastpoolt tarnitud plaadisoojuse ja sisemiselt tekitatud keemilise soojuse kombinatsioon võib sügaval laminaadis põhjustada olulise ja potentsiaalselt ohtliku temperatuuritõusu. Halvimal juhul võib see sisemine ületamine kahjustada vaigumaatriksit, suurendada tühimike sisaldust või põhjustada lokaalset termilist äravoolu.

Seetõttu on täiustatud komposiitide valmistamisel osade kvaliteedi reguleerimiseks olulised teadmised temperatuurigradientplaadi paksuse paksuse paksu komposiidi kõvenemiskäitumisest.

Plaat on väljastpoolt rahustav soojus; portsjoni süda on sisse peidetud lõõmav ahi.

Termiline gradient läbi paksude laminaatide: selle olemus
Pinnakoojendus vs Core Lag
Soojusülekanne algab pindadelt ja kulgeb juhtivuse teel sissepoole, kui paks komposiitlaminaat surutakse kuumutatud plaatide vahele. Plaadiga otseses kontaktis olevad välimised kihid reageerivad kiiresti ja saavutavad tsükli alguses kõrge temperatuuri.

Kuid laminaadi südamikul on hilinenud soojusreaktsioon, kuna:

Komposiitmaterjalide madal soojusjuhtivus

Soojustakistus suureneb paksusega

Energia neeldumisvaigu faasisiirded

Ajast{0}}sõltuvad soojuse difusioonipiirangud

Selle tulemuseks on järsk temperatuuride erinevus detaili paksuses.

Väliskatete isoleeriv toime
Kui välispind soojeneb, hakkavad need toimima südamiku soojusbarjäärina. See isolatsioon aeglustab soojuse kadu südamikust pärast eksotermilise protsessi algust.

Selleks ajaks, kui termiline laine jõuab laminaadi keskele, võib vaik olla reaktsiooni tippkiiruse lähedal ja sisemine soojuse teke võib olla kiire.

Eksotermiline reaktsioon ja sisetemperatuuri ületamine
Keemiline soojuseraldus epoksüsüsteemides
Epoksüvaigu kõvenemine on keemiline eksotermiline protsess, st molekulaarse ristsidumise käigus eraldub soojust. Selle soojuse vabanemise kogust ja kiirust saab kvantifitseerida, kasutades diferentsiaalset skaneerivat kalorimeetriat (DSC), et saada reaktsiooni entalpia ja kineetilised andmed.

Paksude laminaatide puhul võib see reaktsioon olla ise{0}}tugevduv:

Reaktsiooni kiirus suurenes temperatuuri tõustes

Mida kiiremini reaktsioon toimub, seda rohkem soojust tekib

Täiendav kuumus tõstab temperatuuri veelgi

Tagasiside ahel võib tekitada tugeva sisetemperatuuri tipu.

Südamiku soojusisolatsioon
Pärast eksotermilise reaktsiooni algust südamiku piirkonnas on kuumuse eemaldamine raskendatud, kuna:

Väliskihid on juba kõrgendatud temperatuuril

Temperatuurigradiendid vähendavad väljapoole suunatud soojusvoogu

Komposiit piirab juhtivat soojuse hajumist

Plaadi temperatuuri kohalikust reguleerimisest loobutakse

See võib põhjustada sisetemperatuuri kümneid kraadi võrra kõrgemaks plaadi seadeväärtusest ja suure termilise ületamise ohu.

Kõvenemise juhtimine plaadi temperatuuriprofiili järgi
Kontrollitavate küttekaldte tähtsus.
Paksude laminaatide puhul ei ole üldiselt vastuvõetav kasutada üheastmelist kõrgel temperatuuril kõvenemist. Selle asemel kasutatakse väliste ja sisemiste soojusallikate vastastikmõju reguleerimiseks mitmeastmelisi kõvendustsükleid.

Tavaline protseduur on:

Esialgne madaltemperatuur (difusioonistaadium)

Vahepealne leotamisperiood (kontrollitud reaktsiooni algus)

Lõplik kõvenemine kõrgel temperatuuril (täielik ristsidumine)

Madala temperatuuri staadium võimaldab soojusel ühtlasemalt hajuda, kusjuures enne olulist eksotermilist reaktsiooni tekivad järsud gradiendid väiksema tõenäosusega.

Termiline tasakaal eksotermi juhtimisel
Raviprofiil on loodud tagama, et:

Soojuse sisend plaatidelt on aeglane

Vaigu reaktsioon ei ole varakult lokaliseeritud

Temperatuuri gradiendid on endiselt reguleeritud

Eksotermi tipp on aja jooksul jaotunud

Õigesti kavandatud tsüklid võimaldavad laminaadil termiliselt "hingata" ja vältida siseenergia äkilist -kuhjumist.

Termilise FEA roll raviku kujundamisel
Temperatuuri muutumise simulatsioon paksuses
Termilist lõplike elementide analüüsi (FEA) kasutatakse sageli paksude komposiitkonstruktsioonide kõvenemise modelleerimiseks. Simulatsioonid hõlmavad järgmist:

Materjali omadused temperatuuri funktsioonina

Vaigu reaktsiooni kineetika DSC andmetest

Soojusjuhtivuse muutus kõvenemise ajal

Reaktsiooni kuumus

Plaatkütte piirtingimused

Termiline FEA lahendab mööduvad soojusülekande võrrandid, et määrata temperatuuri ajalugu igas laminaadi paksuse kohas.

Kuuma koha ja eksotermiliste tippude ennustamine
Termilise FEA abil saab arvutada:

Maksimaalse sisetemperatuuri asukohad

Eksotermilise tipu alguse ajastus

Termilise ülelöögi suurusjärk

Ravi rambi profiili tõhusus

termilise halvenemise ohualad

See prognoosimisvõime on paksude komposiitsüsteemide sisemiste vigade vältimiseks ülioluline.

Praktilised tagajärjed plaadi disainile ja kasutamisele
Plaadi temperatuuride ühtlus
Paksud esemed saavad kasu parematest termilistest gradientidest tänu plaadi ebaühtlasele kuumutamisele{0}}. Plaadi pind võib erineda järgmistel viisidel:

Erinevad ravimäärad.

Sisemiste jääkpingete tekitamine

Lokaliseeritud kuumad kohad

Laminaadi moonutatud geomeetria

Seetõttu on vajalik kõrgelt kontrollitud plaadi temperatuuri homogeensus.

Protsessi jälgimise integreerimine .
Täiustatud kõvendussüsteemid hõlmavad sageli järgmist:

Lamineerimisse sisseehitatud termopaarid.

Plaatide pinnatemperatuuri andurid

Reaalajas tagasiside juhtimissüsteemid

Parandada valideerimise andmete logimist

Need süsteemid aitavad kaasa modelleeritud termilise käitumise vastavusse tegelike protsessitingimustega.

Järeldus
Paksu komposiitlaminaadi kõvenemisprotsessi juhib keeruline koosmõju välisplaadi soojuse ja sisemise eksotermilise reaktsiooni tulemusena tekkiva soojuse vahel. Tugevate termiliste gradientide tekkimisel võib tekkida märkimisväärne sisetemperatuuri ületamine laminaadi paksusest, kus materjali südamik muutub oluliselt kuumemaks kui plaat ise.

Selle käitumise kontrollimiseks on vaja delikaatselt kohandatud mitmeastmelisi kõvenemisprofiile, mida aitavad kaasa põhjalikud termo-FEA simulatsioonid, mis kasutavad nii soojusülekande füüsikat kui ka vaigu reaktsiooni kineetikat. Kontrollitud kütterambid ja valideeritud termilised mudelid aitavad alandada sisetemperatuuri tipptasemeid, et saavutada ühtlane kõvenemine ja kõrge struktuurne terviklikkus.

Kuid suurimaid ja tugevaimaid komposiitkonstruktsioone ei valmistata kuumutamise teel,{0}}need valmistatakse materjali enda soojusreaktsiooni, varjatud soojusvoo ja reaktsiooni{1}}indutseeritud termilise südamelöögi juhtimise teel.