Gilus terminis iššūkis kietinant storą kompozitą
Kietinti kelių colių storio anglies pluošto kompozito plokštę nėra tas pats, kas kietinti ploną odą. Šiluma iš šildomų plokščių turi lėtai tekėti per didžiąją medžiagos dalį, ilgą laiką judant nuo paviršių link šerdies. Tuo pačiu metu laminato centre esanti epoksidinės dervos sistema pradeda chemiškai reaguoti, per egzoterminį procesą generuodama savo vidinę šilumą.
Iš išorės tiekiamos plokštės šilumos ir viduje generuojamos cheminės šilumos sąveika gali sukelti didelį ir kartais pavojingą temperatūros šuolį giliai laminato viduje. Sunkiais atvejais šis vidinis viršijimas gali pabloginti dervos matricą, padidinti tuštumų kiekį arba sukelti vietinį terminį nutekėjimą.
Suprasdamas,terminis gradientas plokštės storio storio kompozito kietėjimasTodėl elgesys yra būtinas norint kontroliuoti dalių kokybę pažangioje kompozitų gamyboje.
Plokštelė yra švelni, išorinė šiluma; pačios dalies širdis yra riaumojanti, paslėpta krosnis.
Šiluminio gradiento pobūdis per storas laminatas
Paviršiaus šildymas Versus Core Lag
Kai tarp šildomų plokščių dedamas storas kompozitinis laminatas, šilumos perdavimas prasideda nuo paviršių ir sklinda į vidų laidumu. Išoriniai sluoksniai, tiesiogiai liesdamiesi su plokštele, greitai reaguoja ir ciklo pradžioje pasiekia aukštą temperatūrą.
Tačiau laminato šerdis patiria uždelstą šiluminį atsaką dėl:
Mažas kompozitinių medžiagų šilumos laidumas
Didėjant storiui šiluminė varža
Energijos sugėrimas dervos fazių perėjimais
Laiko{0}}priklausomi šilumos sklaidos apribojimai
Dėl to per detalės storį susidaro stiprus temperatūros gradientas.
Izoliacinis išorinių sluoksnių poveikis
Kai išorinės sritys įkaista, jos pradeda veikti kaip šerdies šiluminis barjeras. Šis izoliacinis efektas sulėtina šilumos išsiskyrimą iš centro prasidėjus egzoterminiam aktyvumui.
Tuo metu, kai šiluminė banga pasiekia laminato vidurį, derva jau gali artėti prie didžiausio reakcijos greičio, sudarydama sąlygas greitai susidaryti vidinei šilumai.
Egzoterminė reakcija ir vidinės temperatūros viršijimas
Cheminis šilumos generavimas epoksidinėse sistemose
Kietėjimas epoksidine derva yra chemiškai egzoterminis procesas, o tai reiškia, kad vykstant molekuliniam skersiniam ryšiui išsiskiria šiluma. Šio šilumos išsiskyrimo dydį ir greitį galima apibūdinti naudojantDiferencinė nuskaitymo kalorimetrija (DSC), kuriame pateikiami reakcijos entalpijos ir kinetikos duomenys.
Storuose laminatuose ši reakcija gali tapti savaime{0}}sustiprinti:
Kylanti temperatūra pagreitina reakcijos greitį
Greitesnė reakcija padidina šilumos gamybą
Papildoma šiluma dar labiau padidina temperatūrą
Ši grįžtamojo ryšio kilpa gali sukelti ryškų vidinės temperatūros smailę.
Šerdies šiluminė izoliacija
Kai egzoterminė reakcija prasideda šerdies srityje, šilumos pašalinimas tampa sunkus, nes:
Išoriniai sluoksniai jau yra aukštesnės temperatūros
Temperatūros gradientai sumažina šilumos srautą į išorę
Kompozitinė medžiaga riboja laidumo sklaidą
Plokštelės temperatūra nebėra lokaliai kontroliuojantis veiksnys
Dėl to vidinė temperatūra gali dešimtimis laipsnių viršyti plokštumos nustatytąją vertę, o tai gali sukelti didelę šiluminio viršijimo riziką.
Plokštelės temperatūros profilio vaidmuo kontroliuojant kietėjimą
Kontroliuojamų šildymo rampų svarba
Vienu{0}}pakopu aukštoje{1}}temperatūroje storoms laminatėms dažnai netinka. Vietoj to, išorinių ir vidinių šilumos šaltinių sąveikai valdyti naudojami kelių etapų kietėjimo ciklai.
Įprastas metodas apima:
Pradinė žemos{0}}temperatūros išlaikymas (difuzijos fazė)
Tarpinis mirkymo laikotarpis (kontroliuojama reakcijos pradžia)
Galutinis kietėjimas aukštoje{0}}temperatūroje (visiškas kryžminis susiejimas)
Žemos{0}}temperatūros fazė leidžia šilumai tolygiau prasiskverbti, sumažinant stačius nuolydžius prieš prasidedant reikšmingam egzoterminiam aktyvumui.
Egzotermijos valdymas naudojant terminį balansą
Gydymo profilio tikslas yra užtikrinti, kad:
Šilumos tiekimas iš plokštelių yra laipsniškas
Dervos reakcija ne lokalizuojasi per anksti
Temperatūros gradientai išlieka kontroliuojami
Didžiausia egzoterma pasiskirsto laikui bėgant
Tinkamai suprojektuoti ciklai leidžia laminatui „kvėpuoti“ termiškai, užkertant kelią staigiam vidinės energijos kaupimuisi.
Šiluminio FEA svarba kietėjimo projekte
Temperatūros evoliucijos per{0}}storį modeliavimas
Šiluminė baigtinių elementų analizė (FEA) plačiai naudojama storų kompozitinių konstrukcijų kietėjimo procesui modeliuoti. Šie modeliai apima:
Nuo temperatūros{0}}priklausančios medžiagos savybės
Dervos reakcijos kinetika, gauta iš DSC duomenų
Šilumos laidumo kitimas kietinant
Latentinė reakcijos šiluma
Kraštinės sąlygos dėl plokštelės šildymo
Išspręsdama trumpalaikes šilumos perdavimo lygtis, šiluminė FEA prognozuoja temperatūros pokyčius kiekviename laminato storio taške.
Karštų taškų ir egzoterminių viršūnių numatymas
Terminis FEA leidžia nustatyti:
Maksimalios vidinės temperatūros vietos
Egzoterminio piko pradžios laikas
Šiluminio viršijimo dydis
Kietėjimo rampos profilių efektyvumas
Terminio degradacijos rizikos zonos
Ši nuspėjamoji galimybė yra būtina norint išvengti storų kompozitinių konstrukcijų vidinių defektų.
Praktinės plokštelės projektavimo ir veikimo pasekmės
Plokštelės temperatūros vienodumas
Ne{0}}vienodas plokščių šildymas gali sustiprinti šiluminius gradientus, ypač storose vietose. Plokštelės paviršiaus skirtumai gali sukelti:
Skirtingas kietėjimo greitis
Vidinio liekamojo streso vystymasis
Lokalios perkaitimo zonos
Iškreipta laminato geometrija
Todėl labai kontroliuojamas plokščių temperatūros vienodumas yra labai svarbus.
Proceso stebėjimo integravimas
Pažangios kietėjimo sistemos dažnai apima:
Įterptos termoporos laminate
Paviršiaus temperatūros jutikliai ant plokštelių
Realaus laiko{0}}grįžtamojo ryšio valdymo sistemos
Duomenų registravimas gydymo patvirtinimui
Šios sistemos padeda užtikrinti, kad modeliuotas šiluminis elgesys atitiktų faktines proceso sąlygas.
Išvada
Storo kompozitinio laminato kietėjimą lemia sudėtinga sąveika tarp išorėje naudojamos plokštės šilumos ir viduje generuojamos egzoterminės reakcijos energijos. Stiprūs terminiai gradientai per laminato storį gali lemti didelį vidinės temperatūros viršijimą, kai medžiagos šerdis tampa daug karštesnė nei pati plokštė.
Norint valdyti šią elgseną, reikalingi kruopščiai sukurti kelių{0}pakopių kietėjimo profiliai, paremti išsamiais terminiais FEA modeliais, apimančiais šilumos perdavimo fiziką ir dervos reakcijos kinetiką. Naudojant kontroliuojamas šildymo rampas ir patvirtintus šiluminius modelius, vidinės temperatūros smailės gali būti sumažintos, kad būtų užtikrintas vienodas kietėjimas ir aukštas konstrukcijos vientisumas.
Galiausiai didžiausios ir stipriausios kompozitinės konstrukcijos gaminamos ne tik taikant šilumą, bet ir įvaldant medžiagos vidinį šiluminį atsaką-jos paslėptą šilumos srautą ir reakcijos-varomą šiluminį širdies plakimą.
