Kaip terminis gradientas per plokštės storį veikia storo kompozitinio laminato kietėjimo profilį?

Gili šiluminė problema kietėjant storam kompozitui
Kelių colių storio anglies pluošto kompozito plokštės kietėjimas nėra panašus į plonos odos kietėjimą. Šiluma iš šildomų plokščių turi lėtai pereiti per medžiagos masę nuo paviršių iki šerdies per ilgą laiką. Tuo pačiu metu laminato centre esanti epoksidinės dervos sistema pradeda chemiškai reaguoti, per egzoterminę reakciją gamindama savo vidinę šilumą.

Iš išorės tiekiamos plokštės šilumos ir viduje generuojamos cheminės šilumos derinys gali sukelti didelį ir potencialiai pavojingą temperatūros šuolį giliai laminate. Blogiausiu atveju šis vidinis viršijimas gali pažeisti dervos matricą, padidinti tuštumų kiekį arba sukelti vietinį terminį nutekėjimą.

Todėl žinios apie temperatūros gradiento plokštės storio storio kompozito kietėjimą yra svarbios norint reguliuoti dalių kokybę pažangioje kompozitų gamyboje.

Plokštelė yra raminanti šiluma iš išorės; porcijos širdis yra viduje paslėpta liepsnojanti krosnis.

Terminis gradientas per storas laminatas: jo prigimtis
Paviršiaus šildymas vs Core Lag
Šilumos perdavimas prasideda nuo paviršių ir vyksta į vidų laidumo būdu, kai tarp šildomų plokščių suspaudžiamas storas kompozitinis laminatas. Išoriniai sluoksniai, tiesiogiai besiliečiantys su plokštele, greitai reaguoja ir ciklo pradžioje pasiekia aukštą temperatūrą.

Tačiau laminato šerdis turi uždelstą šilumos reakciją, nes:

Mažas kompozitinių medžiagų šilumos laidumas

Šiluminė varža didėja didėjant storiui

Energiją sugeriančios dervos fazių perėjimai

Nuo laiko{0}}priklausomi šilumos sklaidos apribojimai

Dėl to susidaro didelis temperatūros skirtumas per dalies storį.

Izoliacinis išorinių sluoksnių poveikis
Kai išorė įkaista, jie pradeda tarnauti kaip šerdies šilumos barjeras. Ši izoliacija sulėtina šilumos praradimą iš šerdies prasidėjus egzoterminiam procesui.

Tuo metu, kai šiluminė banga pasiekia laminato vidurį, derva gali būti artima didžiausiam reakcijos greičiui, o vidinė šilumos gamyba gali būti greita.

Egzoterminė reakcija ir vidinės temperatūros viršijimas
Cheminis šilumos išsiskyrimas epoksidinėse sistemose
Kietėjimas epoksidine derva yra cheminis egzoterminis procesas, ty šiluma išsiskiria molekulinio skersinio susiejimo metu. Šio šilumos išsiskyrimo kiekį ir greitį galima kiekybiškai įvertinti naudojant diferencinę nuskaitymo kalorimetriją (DSC), kad būtų gauti reakcijos entalpijos ir kinetikos duomenys.

Storuose laminatuose ši reakcija gali būti savaime{0}}sustiprinanti:

Reakcijos greitis didėja didėjant temperatūrai

Kuo greitesnė reakcija, tuo daugiau šilumos susidaro

Papildoma šiluma dar labiau padidina temperatūrą

Grįžtamasis ryšys gali sukurti stiprią vidinės temperatūros smailę.

Šerdies šiluminė izoliacija
Pradėjus egzoterminę reakciją šerdies srityje, tampa sunku pašalinti šilumą, nes:

Išoriniai sluoksniai jau aukštesnėje temperatūroje

Temperatūros gradientai sumažina šilumos srautą į išorę

Kompozitas riboja laidų šilumos išsklaidymą

Neatsižvelgiama į vietinį plokštelės temperatūros valdymą

Dėl to vidinė temperatūra gali pakilti dešimtimis laipsnių virš plokštumos nustatytosios vertės ir gali kilti didelis terminio viršijimo pavojus.

Kietėjimo valdymas pagal plokštelės temperatūros profilį
Valdomų šildymo rampų reikšmė.
Storoms laminatėms paprastai nepriimtina naudoti vieno žingsnio kietėjimą aukštoje temperatūroje. Vietoje to išorinių ir vidinių šilumos šaltinių sąveikai reguliuoti naudojami kelių etapų kietėjimo ciklai.

Įprasta procedūra yra tokia:

Pradinė žema temperatūra (difuzijos stadija)

Tarpinis mirkymo laikotarpis (kontroliuojama reakcijos pradžia)

Galutinis kietėjimas aukštoje temperatūroje (visiškas kryžminis susiejimas)

Žemos temperatūros stadija leidžia tolygiau pasklisti šilumai, o staigūs gradientai mažiau tikėtina, kad susidarys prieš reikšmingą egzoterminę reakciją.

Šiluminis balansas eksotermijos valdyme
Gydymo profilis sukurtas siekiant užtikrinti, kad:

Šilumos tiekimas iš plokštelių yra lėtas

Dervos reakcija nėra anksti lokalizuota

Temperatūros gradientai vis dar reguliuojami

Didžiausia egzoterma pasiskirsto laikui bėgant

Tinkamai suprojektuoti ciklai suteikia galimybę laminatui „kvėpuoti“ termiškai ir išvengti staigaus vidinės energijos susidarymo-.

Šiluminio FEA vaidmuo kietėjimo projekte
Temperatūros kitimo storyje modeliavimas
Šiluminė baigtinių elementų analizė (FEA) dažnai naudojama storų kompozitinių konstrukcijų kietėjimui modeliuoti. Modeliavimas apima:

Medžiagos charakteristikos kaip temperatūros funkcija

Dervos reakcijos kinetika pagal DSC duomenis

Šilumos laidumo pokytis kietėjimo metu

Reakcijos karštis

Plokštelės šildymo ribinės sąlygos

Terminis FEA išsprendžia trumpalaikes šilumos perdavimo lygtis, kad nustatytų temperatūros istoriją kiekvienoje laminato storio vietoje.

Karšto taško ir egzoterminių viršūnių numatymas
Terminis FEA gali būti naudojamas apskaičiuojant:

Maksimalios vidinės temperatūros vietos

Egzoterminio piko pradžios laikas

Šiluminio viršijimo dydis

Išgydyti rampos profilio efektyvumą

terminio gedimo pavojaus zonos

Šis gebėjimas prognozuoti yra gyvybiškai svarbus norint išvengti storų kompozitinių sistemų vidaus gedimų.

Praktinės plokštelės projektavimo ir veikimo pasekmės
Plokštės temperatūrų vienodumas
Storiems daiktams gali būti naudingi geresni šiluminiai gradientai dėl nevienodo kaitinimo{0}}plokštelių. Plokštės paviršius gali skirtis šiais būdais:

Skirtingi gydymo rodikliai.

Vidinių liekamųjų įtempių susidarymas

Lokalizuotos karštosios vietos

Iškreipta laminato geometrija

Todėl būtinas labai kontroliuojamas plokščių temperatūros homogeniškumas.

Proceso stebėjimo integravimas .
Pažangios kietėjimo sistemos dažnai apima:

Termoporos įterptos į laminavimą.

Plokštelių paviršiaus temperatūros jutikliai

Realaus laiko grįžtamojo ryšio valdymo sistemos

Išgydyti patvirtinimo duomenų registravimą

Šios sistemos prisideda prie to, kad šiluminis elgesys būtų suderintas su realiomis proceso aplinkybėmis.

Išvada
Storo kompozitinio laminato kietėjimo procesas yra kontroliuojamas sudėtinga sąveika tarp šilumos iš išorinės plokštės ir šilumos, atsirandančios dėl vidinės egzoterminės reakcijos. Didelis vidinės temperatūros viršijimas per laminato storį gali įvykti, kai susidaro stiprūs šiluminiai gradientai, kai medžiagos šerdis tampa žymiai karštesnė nei pati plokštė.

Norint kontroliuoti šį elgesį, reikalingi subtiliai pritaikyti kelių{0}pakopių kietėjimo profiliai, kuriuos padeda atlikti išsamūs terminiai FEA modeliai, naudojant šilumos perdavimo fiziką ir dervos reakcijos kinetiką. Valdomos šildymo rampos ir patvirtinti šiluminiai modeliai padeda sumažinti aukščiausią vidinę temperatūrą, kad būtų galima pasiekti vienodą kietėjimą ir aukštą konstrukcijos vientisumą.

Tačiau didžiausios ir stipriausios kompozicinės konstrukcijos nėra pagamintos kaitinant{0}}jos gaminamos kontroliuojant pačios medžiagos šiluminį atsaką, paslėptą šilumos srautą ir reakcijos sukeltą šiluminį širdies plakimą.