Ako ovplyvňuje tepelný gradient cez hrúbku dosky profil vytvrdzovania hrubého kompozitného laminátu?

Hlboký tepelný problém pri vytvrdzovaní hustých kompozitov
Vytvrdzovanie dosky kompozitu z uhlíkových vlákien s hrúbkou niekoľkých palcov nie je ako vytvrdzovanie tenkej kože. Teplo z vyhrievaných dosiek musí pomaly prechádzať hmotou materiálu z povrchov do jadra počas dlhého časového obdobia. Súčasne systém epoxidovej živice v srdci laminátu začne chemicky reagovať a produkovať svoje vlastné vnútorné teplo prostredníctvom exotermickej reakcie.

Kombinácia medzi externe dodávaným doskovým teplom a interne generovaným chemickým teplom môže spôsobiť podstatný a potenciálne nebezpečný teplotný skok hlboko vo vnútri laminátu. V najhoršom prípade by tento vnútorný prekmit mohol poškodiť matricu živice, zvýšiť obsah dutín alebo spôsobiť lokalizovaný tepelný únik.

Preto je znalosť správania vytvrdzovania hrubého kompozitu v hrúbke dosky s teplotným gradientom dôležitá na reguláciu kvality dielu v pokročilej výrobe kompozitov.

Doska je zvonku upokojujúce teplo; srdcom porcie je horiaca pec ukrytá vo vnútri.

Tepelný gradient cez hrubé lamináty: jeho povaha
Povrchové zahrievanie vs oneskorenie jadra
Prenos tepla začína na povrchoch a pokračuje smerom dovnútra vedením, keď je hrubý kompozitný laminát stlačený medzi vyhrievanými doskami. Vonkajšie vrstvy v priamom kontakte s doskou reagujú rýchlo a dosahujú vysoké teploty na začiatku cyklu.

Ale jadro laminátu má oneskorenú tepelnú odozvu, pretože:

Nízka tepelná vodivosť kompozitných materiálov

Tepelný odpor sa zvyšuje s hrúbkou

Fázové prechody živice absorbujúcej energiu

Obmedzenia šírenia tepla-závislé od času

To má za následok strmý teplotný rozdiel v hrúbke dielu.

Izolačný účinok vonkajších plášťov
Keď sa vonkajšok zahrieva, začnú slúžiť ako tepelná bariéra pre jadro. Táto izolácia spomaľuje straty tepla z jadra po spustení exotermického procesu.

V čase, keď tepelná vlna dosiahne stred laminátu, môže byť živica blízko maximálnej rýchlosti reakcie a vnútorné teplo môže byť rýchle.

Exotermická reakcia a prekročenie vnútornej teploty
Chemické uvoľňovanie tepla v epoxidových systémoch
Vytvrdzovanie epoxidovej živice je chemický exotermický proces, tj počas molekulárneho zosieťovania sa uvoľňuje teplo. Množstvo a rýchlosť tohto uvoľňovania tepla možno kvantifikovať pomocou diferenciálnej skenovacej kalorimetrie (DSC), čím sa získajú údaje o reakčnej entalpii a kinetických údajoch.

V hrubých laminátoch môže byť táto reakcia samo{0}}zosilňujúca:

Rýchlosť reakcie sa zvyšovala so zvyšujúcou sa teplotou

Čím rýchlejšia je reakcia, tým viac tepla vzniká

Dodatočné teplo zvyšuje teplotu ešte viac

Spätná väzba môže generovať silný vrchol vnútornej teploty.

Tepelná izolácia jadra
Po spustení exotermickej reakcie v oblasti jadra je ťažké odobrať teplo, pretože:

Vonkajšie vrstvy už pri zvýšenej teplote

Teplotné gradienty znižujú vonkajší tepelný tok

Kompozit obmedzuje odvod tepla

Miestna regulácia teploty valca nie je potrebná

To môže mať za následok vnútorné teploty desiatky stupňov nad nastavenou hodnotou piesta a vysoké nebezpečenstvo teplotného prekmitu.

Kontrola vytvrdzovania pomocou teplotného profilu platne
Význam riadených vykurovacích rámp.
Pre hrubé lamináty je všeobecne neprijateľné použiť jednokrokové vytvrdzovanie pri vysokej teplote. Namiesto toho sa na reguláciu interakcie medzi vonkajšími a vnútornými zdrojmi tepla používajú viacstupňové cykly vytvrdzovania.

Normálny postup je:

Počiatočné zotrvanie pri nízkej teplote (difúzna fáza)

Stredná doba namáčania (riadená iniciácia reakcie)

Konečné vytvrdnutie pri vysokej teplote (úplné zosieťovanie)

Nízkoteplotný stupeň umožňuje teplu difundovať rovnomernejšie, pričom pred výraznou exotermickou reakciou je menej pravdepodobné, že sa vyvinú strmé gradienty.

Tepelná rovnováha pri riadení exotermie
Vytvrdzovací profil je navrhnutý tak, aby zabezpečil, že:

Vstup tepla z dosiek je pomalý

Reakcia živice nie je skorá lokalizovaná

Teplotné gradienty sú stále regulované

Vrchol exotermie sa rozloží v čase

Správne navrhnuté cykly umožňujú laminátu tepelne „dýchať“ a vyhnúť sa náhlemu-nahromadeniu vnútornej energie.

Úloha tepelnej FEA v dizajne vytvrdzovania
Simulácia vývoja teploty v hrúbke
Thermal Finite Element Analysis (FEA) sa často používa na modelovanie vytvrdzovania hrubých kompozitných konštrukcií. Simulácie zahŕňajú:

Vlastnosti materiálu ako funkcia teploty

Kinetika reakcie živice z údajov DSC

Zmena tepelnej vodivosti počas vytvrdzovania

Reakčné teplo

Okrajové podmienky ohrevu dosky

Thermal FEA rieši prechodové rovnice prenosu tepla na určenie teplotnej histórie na každom mieste pozdĺž hrúbky laminátu.

Predpoveď horúceho bodu a exotermických vrcholov
Tepelnú FEA možno použiť na výpočet:

Miesta s maximálnou vnútornou teplotou

Načasovanie nástupu exotermického vrcholu

Veľkosť tepelného prekročenia

Účinnosť profilu vytvrdzovacej rampy

zóny s nebezpečenstvom tepelného poškodenia

Táto schopnosť predpovedať je životne dôležitá na zabránenie vnútorným chybám v hrubých kompozitných systémoch.

Praktické dôsledky pre návrh a prevádzku dosky
Rovnomernosť teplôt dosky
Hrubé predmety môžu ťažiť zo zlepšených tepelných gradientov prostredníctvom-nerovnomerného ohrevu dosky. Povrch dosky sa môže líšiť nasledujúcimi spôsobmi:

Rozdielne miery vytvrdzovania.

Generovanie vnútorných zvyškových napätí

Lokalizované horúce miesta

Deformovaná geometria laminátu

Preto je potrebná vysoko kontrolovaná homogenita teploty dosky.

Integrácia monitorovania procesov .
Pokročilé vytvrdzovacie systémy často zahŕňajú:

Termočlánky vložené do laminácie.

Snímače povrchovej teploty dosiek

Systémy kontroly spätnej väzby v reálnom čase

Zaznamenávanie údajov na overenie vyliečenia

Tieto systémy prispievajú k tomu, že modelované tepelné správanie je v súlade so skutočnými procesnými okolnosťami.

Záver
Proces vytvrdzovania hrubého kompozitného laminátu je riadený komplikovanou súhrou medzi teplom z vonkajšej dosky a teplom vznikajúcim pri vnútornej exotermickej reakcii. K výraznému prekročeniu vnútornej teploty cez hrúbku laminátu môže dôjsť, keď sa vytvoria silné teplotné gradienty, kde sa jadro materiálu výrazne zohreje ako samotná doska.

Riadenie tohto správania si vyžaduje jemne prispôsobené viacstupňové profily vytvrdzovania, ktorým pomáhajú komplexné termálne simulácie FEA využívajúce fyziku prenosu tepla a kinetiku reakcie živice. Riadené vykurovacie rampy a overené tepelné modely pomáhajú pri zmierňovaní špičkových vnútorných teplôt tak, aby bolo možné dosiahnuť rovnomerné vytvrdzovanie a vysokú štrukturálnu integritu.

Najväčšie a najpevnejšie kompozitné štruktúry sa však nevyrábajú zahrievaním-vyrábajú sa riadením vlastnej tepelnej odozvy materiálu, skrytého tepelného toku a tepelným tepom-vyvolaným reakciou.