Kako toplotni gradient skozi debelino plošče vpliva na profil utrjevanja debelega kompozitnega laminata?

Globoki toplotni problem pri utrjevanju debelega kompozita
Sušenje plošče iz kompozita iz ogljikovih vlaken, debele nekaj centimetrov, ni podobno strjevanju tanke kože. Toplota iz segretih plošč mora skozi daljše časovno obdobje počasi prehajati skozi maso materiala od površin do jedra. Istočasno začne sistem epoksidne smole v središču laminata kemično reagirati in s pomočjo eksotermne reakcije proizvaja lastno notranjo toploto.

Kombinacija med toploto plošče, ki jo dovaja zunaj, in kemično toploto, ustvarjeno znotraj, lahko povzroči znaten in potencialno nevaren temperaturni skok globoko v laminatu. V najslabšem primeru bi lahko to notranje prekoračitev poškodovalo smolno matriko, povečalo vsebnost praznin ali povzročilo lokaliziran toplotni odtok.

Zato je poznavanje obnašanja strjevanja debeline plošče temperaturnega gradienta in debelega kompozita pomembno za uravnavanje kakovosti delov v napredni proizvodnji kompozitov.

Plošča je pomirjujoča toplota od zunaj; srce dela je goreča peč, skrita v notranjosti.

Toplotni gradient skozi debele laminate: njegova narava
Ogrevanje površine v primerjavi z zakasnitvijo jedra
Prenos toplote se začne na površinah in nadaljuje navznoter s prevajanjem, ko je debel kompozitni laminat stisnjen med segretimi ploščami. Zunanji sloji v neposrednem stiku s ploščo se hitro odzovejo in zgodaj v ciklu dosežejo visoke temperature.

Toda jedro laminata ima zakasnjen toplotni odziv, ker:

Nizka toplotna prevodnost kompozitnih materialov

Toplotna odpornost narašča z debelino

Fazni prehodi smole za absorpcijo energije

Od časa-odvisne omejitve toplotne difuzije

Posledica tega je velika temperaturna razlika v debelini dela.

Izolacijski učinek zunanjih plaščev
Ko se zunanja stran segreje, začnejo služiti kot toplotna ovira za jedro. Ta izolacija upočasni izgubo toplote iz jedra po začetku eksotermnega procesa.

Ko toplotni val doseže sredino laminata, je lahko smola blizu najvišje hitrosti reakcije in notranja toplota je lahko hitra.

Eksotermna reakcija in prekoračitev notranje temperature
Kemično sproščanje toplote v epoksidnih sistemih
Utrjevanje epoksidne smole je kemijski eksotermni proces, tj. toplota se razvija med molekularnim zamreževanjem. Količino in hitrost tega sproščanja toplote je mogoče kvantificirati z uporabo diferencialne skenirajoče kalorimetrije (DSC), da zagotovimo reakcijsko entalpijo in kinetične podatke.

Pri debelih laminatih je ta reakcija lahko-samoojačitvena:

Hitrost reakcije se povečuje z naraščajočo temperaturo

Hitrejša ko je reakcija, več toplote se ustvari

Dodatna toplota še dodatno poveča temperaturo

Povratna zanka lahko ustvari močno notranjo temperaturno konico.

Toplotna izolacija jedra
Po začetku eksotermne reakcije v območju jedra postane težko odstraniti toploto, ker:

Zunanji sloji že pri povišani temperaturi

Temperaturni gradienti zmanjšajo zunanji toplotni tok

Kompozit omejuje prevodno odvajanje toplote

Lokalni nadzor temperature plošče ni potreben

To lahko povzroči notranjo temperaturo na desetine stopinj nad nastavljeno točko plošče in veliko nevarnost toplotnega prekoračitve.

Nadzor utrjevanja s temperaturnim profilom plošče
Pomen nadzorovanih ogrevalnih ramp.
Za debele laminate na splošno ni sprejemljivo uporabljati enostopenjsko strjevanje pri visoki temperaturi. Več-stopenjski cikli strjevanja se namesto tega uporabljajo za uravnavanje interakcije med zunanjimi in notranjimi viri toplote.

Običajni postopek je:

Začetno zadrževanje pri nizki temperaturi (stopnja difuzije)

Vmesno obdobje namakanja (nadzorovan začetek reakcije)

Končno strjevanje pri visoki temperaturi (popolno navzkrižno povezovanje)

Nizkotemperaturna stopnja omogoča, da se toplota enakomerneje razprši, pri čemer je manj verjetno, da se bodo strmi gradienti razvili pred znatno eksotermno reakcijo.

Toplotno ravnovesje pri obvladovanju eksotermnosti
Profil zdravljenja je zasnovan tako, da zagotavlja, da:

Dovod toplote iz plošč je počasen

Reakcija smole ni zgodaj lokalizirana

Temperaturni gradienti so še vedno regulirani

Najvišja eksotermna temperatura se razporedi skozi čas

Pravilno zasnovani cikli omogočajo, da laminat toplotno "diha" in se izognejo nenadnemu-nastanku notranje energije.

Vloga termičnega FEA pri oblikovanju polimerizacije
Simulacija razvoja temperature v debelini
Termična analiza končnih elementov (FEA) se pogosto uporablja za modeliranje utrjevanja debelih kompozitnih konstrukcij. Simulacije vključujejo:

Lastnosti materiala kot funkcija temperature

Kinetika reakcije smole iz podatkov DSC

Sprememba toplotne prevodnosti med strjevanjem

Reakcijska toplota

Robni pogoji ogrevanja plošče

Thermal FEA rešuje prehodne enačbe prenosa toplote za določitev zgodovine temperature na vsaki lokaciji vzdolž debeline laminata.

Napoved vročih točk in eksotermnih vrhov
Toplotni FEA se lahko uporabi za izračun:

Mesta najvišje notranje temperature

Čas nastopa eksotermnega vrha

Magnituda toplotnega prekoračitve

Učinkovitost profila rampe za zdravljenje

nevarna območja toplotnega poslabšanja

Ta sposobnost napovedovanja je ključna za izogibanje notranjim napakam v debelih kompozitnih sistemih.

Praktične posledice za načrtovanje in delovanje plošče
Enakomernost temperatur plošče
Debelim predmetom lahko koristijo izboljšani toplotni gradienti zaradi ne-enakomernega segrevanja plošče. Površina plošče se lahko razlikuje na naslednje načine:

Diferencialne stopnje ozdravitve.

Nastajanje notranjih zaostalih napetosti

Lokalizirane vroče točke

Popačena geometrija laminata

Zato je potrebna visoko nadzorovana homogenost temperature plošče.

Integracija spremljanja procesov.
Napredni sistemi sušenja pogosto vključujejo:

Termoelementi vdelani v laminacijo.

Senzorji površinske temperature plošč

Sistemi za nadzor povratnih informacij v realnem času

Ti sistemi prispevajo k temu, da je modelirano toplotno obnašanje skladno z dejanskimi procesnimi okoliščinami.

Zaključek
Proces utrjevanja debelega kompozitnega laminata je pod nadzorom zapletenega medsebojnega delovanja med toploto z zunanje plošče in toploto, ki izhaja iz notranje eksotermne reakcije. Do znatnega prekoračitve notranje temperature skozi debelino laminata lahko pride, ko so vzpostavljeni močni toplotni gradienti, kjer jedro materiala postane bistveno bolj vroče od same plošče.

Za nadzor tega vedenja so potrebni natančno prilagojeni več{0}}stopenjski profili strjevanja, ki jim pomagajo obsežne toplotne FEA simulacije z uporabo tako fizike prenosa toplote kot kinetike reakcije smole. Nadzorovane grelne rampe in potrjeni toplotni modeli pomagajo pri zmanjševanju najvišjih notranjih temperatur, tako da je mogoče doseči enakomerno strjevanje in visoko strukturno celovitost.

Toda največje in najmočnejše kompozitne strukture niso izdelane s segrevanjem-temveč so narejene z nadzorovanjem lastnega toplotnega odziva materiala, skritega toplotnega toka in toplotnega srčnega utripa,-ki ga povzroči reakcija.