Как термичният градиент през дебелината на плочата влияе върху профила на втвърдяване на дебел композитен ламинат?

Дълбок термичен проблем при втвърдяване на дебел композит
Втвърдяването на плоча от композит от въглеродни влакна с дебелина няколко инча не е като втвърдяването на тънка кожа. Топлината от нагретите плочи трябва да преминава бавно през масата на материала от повърхностите до сърцевината за дълъг период от време. Едновременно с това системата от епоксидна смола в сърцето на ламината започва да реагира химически, произвеждайки собствена вътрешна топлина чрез екзотермична реакция.

Комбинацията между външно подадена топлина от плочата и вътрешно генерирана химическа топлина може да причини значителен и потенциално опасен скок на температурата дълбоко в ламината. В най-лошия случай това вътрешно превишаване може да повреди матрицата на смолата, да увеличи съдържанието на кухини или да причини локално термично изтичане.

Следователно познаването на температурния градиент на дебелината на плочата при втвърдяване на дебелия композит е важно за регулиране на качеството на частта при усъвършенстваното производство на композити.

Валицата е успокояваща топлина отвън; сърцето на частта е пламтяща пещ, скрита вътре.

Термичният градиент през дебели ламинати: Неговата природа
Повърхностно нагряване срещу забавяне на ядрото
Предаването на топлина започва от повърхностите и продължава навътре чрез проводимост, когато дебел композитен ламинат се компресира между нагрети плочи. Външните слоеве в пряк контакт с плочата реагират бързо и достигат високи температури в началото на цикъла.

Но сърцевината на ламината има забавена топлинна реакция, защото:

Ниска топлопроводимост на композитните материали

Термичното съпротивление нараства с дебелината

Фазови преходи на смола за абсорбция на енергия

Време{0}}зависими ограничения за дифузия на топлина

Това води до рязка температурна разлика по дебелината на частта.

Изолационният ефект на външните покрития
Тъй като външната страна се нагрява, те започват да служат като термична бариера за сърцевината. Тази изолация забавя загубата на топлина от сърцевината след началото на екзотермичния процес.

Докато топлинната вълна достигне средата на ламината, смолата може да е близо до пиковата скорост на реакция и вътрешното генериране на топлина може да бъде бързо.

Екзотермична реакция и превишаване на вътрешната температура
Химично топлоотделяне в епоксидни системи
Втвърдяването на епоксидна смола е химичен екзотермичен процес, т.е. топлината се отделя по време на молекулярното омрежване. Количеството и скоростта на това отделяне на топлина може да се определи количествено с помощта на диференциална сканираща калориметрия (DSC), за да се осигурят реакционни енталпия и кинетични данни.

При дебели ламинати тази реакция може да се-самоподсилва:

Скоростта на реакцията нараства с повишаване на температурата

Колкото по-бърза е реакцията, толкова повече топлина се генерира

Допълнителната топлина повишава още повече температурата

Веригата за обратна връзка може да генерира силен вътрешен температурен пик.

Топлоизолация на ядрото
След започване на екзотермичната реакция в областта на ядрото става трудно да се отстрани топлината, защото:

Външните слоеве вече са при повишена температура

Температурните градиенти намаляват външния топлинен поток

Композитът ограничава проводимото разсейване на топлината

Отпада локалното управление на температурата на плочата

Това може да доведе до вътрешни температури с десетки градуси над зададената точка на плочата и голяма опасност от превишаване на температурата.

Контрол на втвърдяването чрез температурен профил на плочата
Значението на контролираните отоплителни рампи.
За дебели ламинати обикновено не е приемливо да се използва едноетапно втвърдяване при висока температура. Вместо това се използват много{1}}етапни цикли на втвърдяване, за да се регулира взаимодействието между външни и вътрешни източници на топлина.

Нормална процедура е:

Първоначално задържане при ниска температура (етап на дифузия)

Междинен период на накисване (контролирано започване на реакция)

Окончателно втвърдяване при висока температура (Пълно кръстосано свързване)

Нискотемпературният етап позволява на топлината да се разпространява по-равномерно, като е по-малко вероятно да се развият стръмни градиенти преди значителна екзотермична реакция.

Топлинен баланс при управление на екзотермични процеси
Профилът на лечение е предназначен да гарантира, че:

Подаване на топлина от плочите е бавно

Реакцията на смола не е ранно локализирана

Температурните градиенти все още се регулират

Пиковата екзотермична температура се разпределя във времето

Правилно проектираните цикли позволяват на ламината да „диша“ термично и избягва внезапното натрупване-на вътрешна енергия.

Роля на термичния FEA в дизайна на втвърдяване
Симулация на промяната на температурата в дебелината
Термичният анализ на крайните елементи (FEA) често се използва за моделиране на втвърдяването на дебели композитни конструкции. Симулациите включват:

Характеристики на материала като функция на температурата

Кинетика на реакцията на смола от DSC данни

Промяна в топлопроводимостта по време на втвърдяване

Топлина на реакцията

Гранични условия за нагряване на плочата

Thermal FEA решава преходните уравнения за пренос на топлина, за да определи температурната история на всяко място по дебелината на ламината.

Прогноза за горещи точки и екзотермични пикове
Топлинният FEA може да се използва за изчисляване на:

Места на максимална вътрешна температура

Време за настъпване на екзотермичен пик

Степен на термично превишаване

Ефективност на профила на излекуване

опасни зони от термично влошаване

Тази способност за прогнозиране е жизненоважна за избягване на вътрешни грешки в дебели композитни системи.

Практически изводи за дизайна и работата на плочата
Еднородност на температурите на плочата
Дебелите артикули могат да се възползват от подобрени термични градиенти чрез не-равномерно нагряване на валяка. Повърхността на плочата може да варира по следните начини:

Диференциални нива на излекуване.

Генериране на вътрешни остатъчни напрежения

Локализирани горещи точки

Изкривена геометрия на ламинат

Следователно е необходима силно контролирана хомогенност на температурата на плочата.

Интегриране на мониторинг на процеси.
Усъвършенстваните системи за втвърдяване често включват:

Термодвойки, вградени в ламинацията.

Повърхностни температурни сензори на плочите

Системи за управление с обратна връзка в реално време

Регистриране на данни за валидиране на Cure

Тези системи допринасят за това моделираното топлинно поведение да съответства на реалните обстоятелства на процеса.

Заключение
Процесът на втвърдяване на дебел композитен ламинат се контролира от сложно взаимодействие между топлината от външната плоча и топлината, произтичаща от вътрешната екзотермична реакция. Значително превишаване на вътрешната температура през дебелината на ламината може да възникне, когато се установят силни термични градиенти, където сърцевината на материала става значително по-гореща от самата плоча.

Контролирането на това поведение изисква деликатно съобразени много{0}}етапни профили на втвърдяване, подпомогнати от всеобхватни термични FEA симулации, използващи както физиката на преноса на топлина, така и кинетиката на реакцията на смолата. Контролираните нагряващи рампи и валидираните термични модели подпомагат модерирането на пиковите вътрешни температури, така че да може да се постигне равномерно втвърдяване и висока структурна цялост.

Но най-големите и най-здрави композитни структури не се правят чрез нагряване-те се правят чрез контролиране на собствената топлинна реакция на материала, скрития топлинен поток и-предизвиквания от реакцията топлинен сърдечен ритъм.