摘　要：針對熱壓罐成型工藝過程中加壓時機不易準確把握的特點，研究了1種確定復合材料熱壓罐成型加壓時機的計算方法。通過兩種不同類型的樹脂體系5405雙馬樹脂和5284環氧樹脂的實驗表明，該方法的實驗值與理論計算基本一致，該方法簡便易行并已成功應用指導了5284／T300復合材料的熱壓罐成型。
關鍵詞：樹脂基復合材料；熱壓罐成型工藝；凝膠時間；加壓點

0　引言

　　雖然液態成型工藝等低成本技術在先進復合材料制造中應用越來越廣泛，但熱壓罐成型工藝仍然是樹脂基復合材料重要的成型方法。對熱壓罐成型工藝過程的模擬主要集中在成型過程中的變形控制、流動規律、熱傳遞和溫度場分布模擬等，基本未涉及加壓工藝的模擬計算。加壓點是熱壓罐成型工藝的重要參數，加壓點的確定直接影響到復合材料的性能。若加壓時間太晚(在樹脂基體的凝膠點之后)，會造成復合材料有較多的孔隙，甚至造成大面積的分層，而且會造成樹脂基體在復合材料中的分布不均；對于粘度較低的樹脂基體，若加壓時間太早，會造成樹脂基體大量流失，將嚴重影響復合材料的各項性能。因此，復合材料熱壓罐成型的加壓時機的確定對復合材料的成型有重要的影響。
　　在復合材料制件的研究和生產中，雖然加壓點的確定也是以某一溫度下的凝膠時間作為依據，但是復合材料制件的大小、模具的大小和熱壓罐的加熱升溫能力均有不小的差異，因此不同復合材料制件成型過程中升溫速率均有差異，每次成型中從室溫升溫至某一溫度的過程中，樹脂也會發生相當程度的反應，而且每次成型過程熱壓罐的升溫速率、不同熱壓罐的升溫速率等條件各不相同，使樹脂的固化程度很難準確估計，因此其加壓時機只能憑經驗加以確定。針對熱壓罐加壓時機把握不準確的特點，本文采用一種稱為凝膠參數理論的方法準確控制熱壓罐加壓時機。

1　實驗部分

1.1　原材料
　　5284環氧樹脂基體：北京航空材料研究院；5284／T300預浸料：北京航空材料研究院；5405雙馬來酰亞胺樹脂基體：北京航空材料研究院。
1.2　實驗方法
　　凝膠時間測定：小刀法，參照原GB5259―1985；5284／T300復合材料成型：熱壓罐法成型；凝膠參數的計算：采用MicroCal Orign軟件積分計算。

2　結果與討論

2.1　模型建立
　　通常，復合材料樹脂基體的凝膠時間與溫度的關系基本符合方程1。

　　式(1)中t_gel凝膠時間(min)，T為反應溫度(℃)，A、B、a、b分別是曲線擬合產生的參數。
　　由式(1)變換得式(2)。

　　由(2)式可見，對于某一配方的樹脂，在任何恒定溫度下反應至凝膠狀態時，B值始終為一個常數，定義為凝膠參數。
　　根據凝膠點的定義，凝膠點是指樹脂從線形結構向體形結構轉變的狀態點，因此凝膠點的反應程度只與樹脂體系的組成有關，而與反應溫度等外在因素無關。根據式(2)，B值是樹脂體系在溫度和時間效應下累積的結果。
　　假設參數F為衡量樹脂體系固化反應程度的一個參數，反應程度只與反應溫度和反應時間相關，即F=f(T，t)。而在某一恒定溫度(T)下，當時間有一個微量變化出時，參數F也有一個微量增量dF,，當F值增長到B值時，樹脂分子結構從二維線形分子結構向三維體形結構轉變，樹脂從可流動狀態向不可流動狀態轉變，即樹脂發生凝膠。當時間進一步延長，F值進一步增加，F值大于B值時，樹脂反應程度進一步提高，樹脂基體進入不可流動狀態。
　　假設：t-A=x，EXP[(T-a)／b]=y，也就是x為時間參數、y為溫度參數，那么：dF=ydx，dF也就是x、y關系曲線下的微分面積。在恒溫條件下，y為常數：    。在y為變化參數情況下，每1個溫度點必然有其對應的時間點，溫度參數y肯定是時間的函數：y=f(t-A)即y=f(x)(t是實驗過程中的任意時間點)，那么dF=f(x)dx，因此：

　　從式(3)可以認為，每1次升溫固化條件下，不論溫度如何變化，固化反應程度(F參數)只與反應時間相關。將F定義為樹脂反應程度參數，當F>B時，說明樹脂已經凝膠；若F<B，說明樹脂尚未凝膠。
2.2　樹脂凝膠時間曲線方程及凝膠參數的確定
　　表1是5284環氧樹脂在不同溫度下的凝膠時間數據。

　　以溫度T為橫坐標，凝膠時間t_gel為縱坐標，進行曲線擬合，得如下指數方程：

　　按方程(2)對式(4)進行變換，得式5：

　　　也就是說根據2.1節的理論，對于5284樹脂體系，當的值達到B值(34.104)時，樹脂即達到凝膠。
　　將樹脂置于凝膠盤中，記錄樹脂反應的溫度(升溫速率隨意改變)與時間，直至樹脂發生凝膠。
　　表2是樹脂在達到凝膠狀態過程中的時間與溫度情況及有關計算結果。其中包括5284樹脂驗證實驗1和驗證實驗2，實驗的大時間均為樹脂達到凝膠時的時間，驗證實驗1和2的升溫速率和保溫狀態均不相同，但它們后積分的結果(反應程度參數F)基本與B值(34.104)接近，分別為34.07和34.21。這從實驗上驗證了方法模型的可靠性。

　　5405雙馬樹脂在不同溫度下的凝膠時間(見表3)。

　　采用與5284樹脂相同的方法擬合出5405樹脂的凝膠時間隨溫度變化的方程見式(6)。

　　式(6)與式(4)一樣為指數降曲線。根據2.1節的凝膠參數理論，5405樹脂的凝膠參數為218.94。應用Origin軟件計算5405樹脂的反應程度參數F值為217.29，該值與5405樹脂的凝膠參數218.94非常接近。
　　5284樹脂和5405樹脂是兩種完全不同種類的樹脂，但是實驗表明這兩種樹脂與凝膠參數理論都非常符合，這從實驗的角度驗證了它的可靠性。
2.3　凝膠參數指導5284／CF復合材料的加壓工藝
　　表4是5284／CF復合材料兩種不同的工藝加壓前的溫度時間關系表。

　　根據計算，采用工藝1成型時，其凝膠參數為37.30，大于臨界臨界參數，這時樹脂已經凝膠，按照此工藝成型的復合材料有大量的孔隙，甚至有大面積的分層(如圖1所示)(超聲波C掃描探傷)。采用工藝2成型5284／CF復合材料時，其凝膠參數為23.38，小于臨界凝膠參數，在這個時機加壓，能使樹脂充分流動，成型的復合材料沒有發現分層現象，內部缺陷明顯降低。

3　結論

　　以樹脂體系的凝膠時間曲線方程為基礎，采集固化過程的時間和溫度參數，采用凝膠參數計算方法能較為準確地估算樹脂基復合材料在熱壓罐成型時的樹脂的固化反應程度，以便于把握其加壓時間，實踐證明這種方法能有效地減少確定加壓時機的盲目性，提高復合材料的成型質量。