在樹脂基復(fù)合材料制造技術(shù)中,模壓成型技術(shù)最常見,制造歷史最長。樹脂基復(fù)合材料模壓成型主要是靠壓力、溫度、時間加以控制。因此在樹脂基復(fù)合材料一定的基礎(chǔ)上,成型壓力、成型溫度、成型時間這三大工藝參數(shù)的合理匹配與選擇,成為材料技術(shù)性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計要求的關(guān)鍵。三大工藝參數(shù)合理量化的指標(biāo),可通過在實(shí)際生產(chǎn)中采用正交試驗(yàn)方法,對三大因素采取不同的試驗(yàn)水平,通過科學(xué)的計算方法,確定試驗(yàn)中應(yīng)該采取的不同的壓力、溫度和時間,再通過對試驗(yàn)的樹脂基復(fù)合材料的技術(shù)性能進(jìn)行檢測,最終確定最佳工藝參數(shù),以期用最少的試驗(yàn),最短的時間,找出最合適的工藝參數(shù),使得樹脂基復(fù)合材料的性能最好。
從微觀考慮,三大工藝參數(shù)中的成型溫度、成型時間從量變到質(zhì)變的度較好掌握,容易確定。只有當(dāng)溫度達(dá)到一定值時,高分子樹脂才開始聚合反應(yīng),顯然,這一特定溫度值就是量變到質(zhì)變的度量。同理,時間間隔也是如此,只有持續(xù)一段充分反應(yīng)的時間,才能形成完全聚合,使高分子樹脂形成網(wǎng)狀立體交聯(lián)結(jié)構(gòu),達(dá)到充分固化,這一特定時間間隔就是量變到質(zhì)變的度量。對于成型壓力,其不確定性要比成型溫度、成型時間更大。對材料在模腔內(nèi)進(jìn)行受力分析時,可先不考慮溫度、時間的變化,把它們視為常量。
物料在模具內(nèi)自由堆砌。假設(shè)模腔內(nèi)任意圖1 物料在模具內(nèi)的法向應(yīng)力微元的法向應(yīng)力如圖1所示。此時堆砌后的物料為靜止,靜止的流體或流體的運(yùn)動速度處處相同時,每個法向應(yīng)力在數(shù)值上與壓力相等,即:
式中,P為單位壓力;T為軸向應(yīng)力。
將方程(1)+(2)+(3)得:
物料在模腔內(nèi)由于壓力的作用面處于流動狀態(tài)。由于每種物料的性質(zhì)不同,物料之間在流動時相互之間摩擦系數(shù)不同,物料流動的取向不同,再加上受模具幾何形狀的限制,物料與模具壁的摩擦阻力在各點(diǎn)不盡相同,促使物料在模具內(nèi)各方向的流動速度不同,因此,由牛頓流體的粘度公式:
可知,一般來說тX≠тy≠тZ,即在X軸方向、Y軸方向、Z軸方向的線密度是不相等的。可以看出,模壓成型樹脂基復(fù)合材料密度達(dá)到完全均勻是非常困難的,說明樹脂基復(fù)合材料客觀存在著內(nèi)應(yīng)力。
1軸向應(yīng)力
1.1 Z軸法向應(yīng)力(тZ)
當(dāng)陽模進(jìn)入陰模后,初始陽模下降快,隨著模腔中物料密度的加大,物料內(nèi)摩擦和物料與模具壁的摩擦阻力增大,陽模下降趨緩。由此可見,對物料施加的壓力與壓力對下降距離的速率(法向壓強(qiáng)梯度)成正比。因此,Z軸法向壓力的計算公式為:
式中,δ為壓縮比。
依據(jù)上述,靜止的流體或流體的運(yùn)動速度處處相同的特殊情況,每個法向應(yīng)力在數(shù)值上與壓力相等。所以,假設(shè)此時法向應(yīng)力等于壓機(jī)壓強(qiáng),由公式(5)計算積分:
公式(6)描述了物料壓縮量與壓力之間的關(guān)系,可作為壓進(jìn)尺寸所需壓力的一種判據(jù),并可推導(dǎo)出所需單位壓力的計算公式:
1.2 X軸切向應(yīng)力(тX)
由牛頓流體的粘度公式可知:牛頓應(yīng)力與流體速度成正比,與流體上下間距成反比。即:
式中,T為剪切應(yīng)力;μ為流動粘度;U為流體速度;h為流體上下間距;為速度對間距的速率。對模具施加壓力后,模腔內(nèi)的物料開始流動,且流動速率與法向壓強(qiáng)梯度成正比,即:
式中,k為比例常數(shù)。
本文所指的流動粘度為軸向綜合流動粘度系數(shù)。可在粘度測試試驗(yàn)中獲得,也可利用公式計算求得。綜合流動粘度計算公式:
式中,λ為流動取向比,等于橫向特征尺寸與橫向特征尺寸、縱向特征尺寸之和的比,即:a為橫向特征尺寸;b為縱向特征尺寸;φi為某種材料的體積分?jǐn)?shù),且有:為某種材料的流 動粘度系數(shù),令: 為復(fù)合材料綜合流動粘度系數(shù)。
將公式(9)、(10)代入公式(8),得到X軸切向應(yīng)力的計算公式:
1.3 Y軸切向應(yīng)力(Ty)
Y軸切向應(yīng)力的推導(dǎo)過程同X軸切向應(yīng)力推導(dǎo)過程幾乎一樣,只是流動取向有區(qū)別。
對于Y軸綜合流動粘度計算公式:
將公式(9)、(12)代入公式(8),得到Y(jié)軸切向應(yīng)力的計算公式: