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    环氧树脂的固化分析

    环氧树脂是泛指分子中含有两个或两个以上环氧基团的有机高分子化合物,具有粘附力强,收缩性低的特点,而高固化度的环氧树脂具有更加优异的粘接强度,同时在稳定性,柔韧性,及溶剂稳定性上的优异表现,使其应用十分广泛。而提高固化度的关键在于固化过程,因此需要对固化过程进行更深入的研究。

    图1展示了微波炉对环氧树脂复合材料进行的固化实验,实验装置微波炉为半球形腔体,微波炉的波导管在半球形腔体底端的一侧。实验中,将缠有环氧树脂复合材料的模具放置在微波炉中央,在一定的微波功率加热,实现对复合材料的固化;最终得到如图2所示的环氧树脂复合材料环。

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                   图1 :实验用的微波炉装置

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    图2:环氧树脂复合材料环

            微波固化环氧树脂复合材料,本质上就是指在微波作用下,环氧树脂因内部介电损耗而被快速加热固化。在此过程中包含有两项内热源,一项为树脂固化反应放热,另一项为树脂因吸收微波而产生的介电加热。为此,微波固化过程是一个含有两项内热源(介电损耗加热和固化反应放热)的电磁-传热-固化动力学多物理场耦合的过程,需要用Maxwell方程组来求解电场强度,用热传导方程获得材料中的温度分布,用固化动力学方程来计算固化度。

    建模过程中困难主要来源于网格剖分过程中的诸多问题,合理的网格剖分一方面要提高计算速度,另一方面也要保证计算精度;最终形成网格剖分如图3所示。

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    图3:网格剖分示意图

            根据实验需要,在仿真过程中复合材料环的外侧面中心线上确定一个温度监测点,只要这个点的温度超过120℃,就停止微波辐照,当温度低于100℃,就开启微波辐照。因此定义新参数beta,根据不同情况选择合适的参数乘子,实现该微波辐射过程。

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                       图4:60min温度分布图

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         图5:固化度计算与实验结果对比

            图4展示了在60min时,复合材料环温度达到最高,最高点温度123摄氏度;图5为仿真计算得到的固化度计算结果和实验结果的对比图,从对比图数据可以看出,仅在17min实测固化度数据和仿真结果有偏差,但仍在可以接受的范围,可以认为仿真实现了固化过程的分析,取得了较好的效果。