一种树脂基复合材料固化反应的预测方法技术

本发明专利技术属于树脂材料固化反应预测技术领域，具体涉及一种树脂基复合材料固化反应的预测方法。本发明专利技术利用树脂基复合材料预浸料的动态差示扫描量热试验数据，对n级固化反应动力学模型和自催化固化反应动力学模型进行非线性拟合，得到树脂基复合材料固化反应动力学模型；再利用所得树脂基复合材料固化反应动力学模型对树脂基复合材料的固化过程进行预测。本发明专利技术提供的上述预测方法同时保留了n级固化反应动力学模型和自催化固化反应动力学模型的反应级数，使所得动力学模型能够准确的拟合树脂基复合材料的固化趋势。

A Prediction Method for Curing Reaction of Resin Matrix Composites

【技术实现步骤摘要】
一种树脂基复合材料固化反应的预测方法
本专利技术属于树脂材料固化反应预测
，具体涉及一种树脂基复合材料固化反应的预测方法。
技术介绍
树脂基复合材料由于轻质、高强度、耐腐蚀和耐疲劳等优点，在航空航天、汽车及建筑等领域得到广泛应用。热压罐固化成型是大型复合材料构件的主要制备方法，其工艺流程是将树脂基复合材料预浸料铺放于模具上，密封在真空袋内后，再放入热压罐中，经加温和加压完成树脂基复合材料的固化成型。上述工艺中，预浸料固化反应对成型后构件的尺寸和性能具有重要影响，因此，引起了研究人员的广泛关注。目前，国内外对固化反应动力学模型的研究主要有以下两种：一种是A.O.Siddiqui等提出的n级固化反应动力学模型，该模型是用于描述固化反应最简单的模型，模型中可计算的参数较少，模型计算结果与试验测量数据吻合度较差，尤其是固化反应前期存在较大差距，影响了预浸料固化反应预测结果的准确性(参见A.O.Siddiqui,P.Sudher,B.V.S.R.Murthy.Curekineticsmodelingofcyanate-esterresinsystem,ThermochimicaActa554.2013.8～14)。另一种是In-KwonHong等针对硅橡胶体系的固化反应提出的自催化固化反应动力学模型，该模型的特点是有一定的诱导期，与试验数据在固化反应的前期和后期均能较好的吻合，但是对于固化反应速率出现极值的固化度预测有一定误差，即对于固化反应中期的预测不够准确。综上，现有的固化反应动力学模型主要针对单一材料体系，很少考虑完整的树脂基复合材料预浸料，因此，无法准确表征树脂基复合材料预浸料固化反应过程中的影响规律。
技术实现思路
本专利技术提供一种树脂基复合材料固化反应动力学模型的预测方法，本专利技术提供的预测方法能够对树脂基复合材料的固化过程进行高吻合度模拟，可准确预测树脂基复合材料的固化过程。为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：本专利技术提供了一种树脂基复合材料固化反应的预测方法，包括：(1)利用树脂基复合材料预浸料的动态差示扫描量热试验数据对n级固化反应动力学模型和自催化固化反应动力学模型进行非线性拟合，得到树脂基复合材料固化反应动力学模型；所述树脂基复合材料固化反应动力学模型的级数包括相互独立的n级固化反应动力学模型的反应级数和自催化固化反应动力学模型的反应级数；(2)利用所述步骤(1)得到的树脂基复合材料固化反应动力学模型对树脂基复合材料固化反应过程进行预测。优选的，所述步骤(1)中树脂基复合材料固化反应动力学模型如式1所示：式1中，α为固化度；dα/dt表示固化速率；T表示绝对温度；R为取值8.3145的普适气体常数；A1表示自催化固化反应动力学模型的频率因子；A2表示n级固化反应动力学模型的频率因子；E1表示自催化固化反应动力学模型的反应活化能；E2表示n级固化反应动力学模型的反应活化能；m、n1和n2表示反应级数，其中，n1表示自催化固化反应动力学模型的一反应级数，m表示自催化固化反应动力学模型的另一反应级数，n2表示n级固化反应动力学模型的反应级数，n1、m和n2三者相互独立。优选的，所述步骤(1)中n级固化反应动力学模型如式2所示：式2中，n2表示反应级数；k(T)为固化反应速率常数的温度关系式。优选的，所述步骤(1)中自催化固化反应动力学模型如式3所示：式3中，m表示反应级数；n1表示反应级数。优选的，所述步骤(1)中，对n级固化反应动力学模型和自催化固化反应动力学模型进行非线性拟合用软件为Origin函数绘图工具。优选的，所述步骤(1)中，树脂基复合材料预浸料的动态差示扫描量热试验数据包括温度、热流量和升温速率。优选的，所述步骤(1)中树脂基复合材料固化反应动力学模型的拟合曲线与利用动态差示扫描量热试验数据得到的试验曲线的吻合度在90％以上。优选的，所述步骤(2)中预测包括对固化度与温度关系，以及固化度与时间关系的预测。本专利技术利用树脂基复合材料预浸料的动态差示扫描量热试验数据对n级固化反应动力学模型和自催化固化反应动力学模型进行非线性拟合，得到树脂基复合材料固化反应动力学模型；所得树脂基复合材料固化反应动力学模型的级数包括相互独立的n级固化反应动力学模型的反应级数和自催化固化反应动力学模型的反应级数；然后利用上述所得树脂基复合材料固化反应动力学模型对树脂基复合材料固化反应过程进行预测。本专利技术提供的上述预测方法同时保留了n级固化反应动力学模型和自催化固化反应动力学模型的反应级数，使所得动力学模型能够准确的拟合树脂基复合材料的固化趋势。本专利技术提供的固化反应动力学模型克服了现有的固化反应动力学模型主要针对单一材料体系提出，很少考虑完整的树脂基复合材料预浸料，因此无法准确表征预浸料固化反应全过程变化的不足，实现了对树脂基复合材料固化反应全过程进行准确拟合。附图说明图1为本专利技术提供的树脂基复合材料预浸料在不同升温速率下的动态DSC曲线；图2为本专利技术提供的树脂基复合材料固化反应动力学模型、n级固化反应动力学模型和自催化固化反应动力学模型所得拟合曲线与树脂基复合材料预浸料在升温速率15K/min下进行的DSC试验曲线的对比图；图3为本专利技术提供的树脂基复合材料固化反应动力学模型在不同升温速率下，恒温固化预测结果与试验结果的对比图。具体实施方式在以下的具体实施方式中，所述n级固化反应动力学模型为本领域技术人员知晓的固有名词，其中n级表示反应级数，无需对n级取值范围进行任何限定。本专利技术提供了一种树脂基复合材料固化反应动力学模型的预测方法，包括：(1)利用树脂基复合材料预浸料的动态差示扫描量热试验数据对n级固化反应动力学模型和自催化固化反应动力学模型进行非线性拟合，得到树脂基复合材料固化反应动力学模型；所述树脂基复合材料固化反应动力学模型的级数包括相互独立的n级固化反应动力学模型的反应级数和自催化固化反应动力学模型的反应级数；(2)利用所述步骤(1)得到的树脂基复合材料固化反应动力学模型对树脂基复合材料固化反应过程进行预测。本专利技术利用树脂基复合材料预浸料的动态差示扫描量热试验数据对n级固化反应动力学模型和自催化固化反应动力学模型进行非线性拟合，得到树脂基复合材料固化反应动力学模型。在本专利技术中，所述树脂基复合材料固化反应动力学模型优选如式1所示：式1中，α为固化度；dα/dt表示固化速率；T表示绝对温度；R为取值8.3145的普适气体常数；A1表示自催化固化反应动力学模型的频率因子；A2表示n级固化反应动力学模型的频率因子；E1表示自催化固化反应动力学模型的反应活化能；E2表示n级固化反应动力学模型的反应活化能；m、n1和n2表示反应级数，其中，n1表示自催化固化反应动力学模型的一反应级数，m表示自催化固化反应动力学模型的另一反应级数，n2表示n级固化反应动力学模型的反应级数，n1、m和n2三者相互独立。在本专利技术中，所述树脂基复合材料优选包括碳纤维环氧树脂基复合材料，更优选为T700或T800树脂基复合材料。本专利技术对所述树脂基复合材料预浸料的质量没有特殊要求，优选为10～15mg。在本专利技术中，所述树脂基复合材料预浸料的动态差示扫描量热试验数据优选包括放热量与时间曲线、放热量与温度曲线。本专利技术对所述动态差示扫描本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种树脂基复合材料固化反应的预测方法，包括：(1)利用树脂基复合材料预浸料的动态差示扫描量热试验数据对n级固化反应动力学模型和自催化固化反应动力学模型进行非线性拟合，得到树脂基复合材料固化反应动力学模型；所述树脂基复合材料固化反应动力学模型的级数包括相互独立的n级固化反应动力学模型的反应级数和自催化固化反应动力学模型的反应级数；(2)利用所述步骤(1)得到的树脂基复合材料固化反应动力学模型对树脂基复合材料固化反应过程进行预测。

【技术特征摘要】
1.一种树脂基复合材料固化反应的预测方法，包括：(1)利用树脂基复合材料预浸料的动态差示扫描量热试验数据对n级固化反应动力学模型和自催化固化反应动力学模型进行非线性拟合，得到树脂基复合材料固化反应动力学模型；所述树脂基复合材料固化反应动力学模型的级数包括相互独立的n级固化反应动力学模型的反应级数和自催化固化反应动力学模型的反应级数；(2)利用所述步骤(1)得到的树脂基复合材料固化反应动力学模型对树脂基复合材料固化反应过程进行预测。2.如权利要求1所述的预测方法，其特征在于，所述步骤(1)中树脂基复合材料固化反应动力学模型如式1所示：式1中，α为固化度；dα/dt表示固化速率；T表示绝对温度；R为取值8.3145的普适气体常数；A1表示自催化固化反应动力学模型的频率因子；A2表示n级固化反应动力学模型的频率因子；E1表示自催化固化反应动力学模型的反应活化能；E2表示n级固化反应动力学模型的反应活化能；m、n1和n2表示反应级数，其中，n1表示自催化固化反应动力学模型的一反应级数，m表示自催化固化反应动力学模型的另一反应级数，n2表示n级固...

【专利技术属性】
技术研发人员：许英杰，任旋畅，杨昊彤，张卫红，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61