当前课程知识点:复合材料设计与成型 > 5 真空导入模塑工艺 > 5.2 树脂的粘度特性 > 5.2.1 视频单元
这一节,我们学习“树脂的粘度特性”
这是前面我们讲过的真空导入模塑工艺的流程图
关键步骤是树脂吸注这一步
树脂流动过程中,树脂粘度实时动态变化
极大地增加了工艺控制的难度
因此,需要了解树脂粘度的变化规律
粘度是表征粘性大小的参数
而粘性指的是:流体在运动时
其内部相邻流层间
抵抗相对滑动(也就是抵抗变形)的内摩擦力的性质
而内摩擦力则是流体内部相邻流层之间
平行于流层表面的相互作用力
本质原因是流体分子之间的内聚力和流体分子与固体壁面间的附着力
根据牛顿内摩擦定律
粘度和内摩擦力成正比,和流体的速度梯度成反比
因此,粘度的物理意义可以理解为
产生单位速度梯度
相邻流层在单位面积上所作用的内摩擦力(切应力)的大小
根据牛顿内摩擦定律得到的粘度,称为动力粘度
单位是帕·秒
除此之外
常用的粘度表示方法还有运动粘度、工程粘度和相对粘度
本课程中,如无特殊说明,粘度指的是动力粘度
树脂的粘度特性
复合材料制备关注的重点三个方面
粘度-压强特性、粘度-时间特性和粘度-温度特性
树脂体系的粘度随压强的变化关系
从物理层面来理解:压强增大,树脂分子间距减小
内聚力增大,内摩擦力增大,粘度增大
这种变化关系可以用唯像模型(8.2)式来表示
式中,μ是压强P下的粘度,μ0是初始也就是压强为P0的粘度
b为常数,约为0.207
这个模型是一个典型的指数方程
阿累尼乌斯方程,描述了粘度随压强的变化关系
但是复合材料制备时,一般不考虑压强变化对粘度的影响
为什么
因为通常的制备是在常压下实施的,可以不用考虑压强的影响
树脂体系的粘度随时间又是如何变化的呢
请看下图
粘度随着时间的增加,逐渐增大
原因是树脂体系的两大组分树脂和固化剂混合均匀后
发生固化交联反应,树脂分子由线型逐渐转化为三维网络体型结构
分子链交联度逐渐增大,粘度增加,直至凝胶固化
因此,树脂注射、树脂吸注、灌注过程中
必须在树脂凝胶前完成树脂对增强材料的浸润
否则一旦树脂凝胶,无法流动,这会导致制备失败
树脂体系的粘度-温度特性
请看下图
树脂体系是不饱和聚酯树脂
从图中可以看出
随着温度的升高,树脂粘度先下降
降低到低点有一个低粘度平台,然后迅速上升
粘度变化可分为下降、低粘度平台、上升三个阶段
为什么会出现这样的变化规律
这涉及粘度变化的两大机制
物理减粘和化学增粘
初始升温阶段,固化交联度低,温度升高
树脂分子内聚力减小,分子运动剧烈,粘度降低
这就是物理减粘
低粘度平台阶段,温度升高,固化交联度逐渐增大
物理减粘导致的粘度降低与交联度增大导致的粘度增加基本达到平衡
最后上升阶段,温度继续升高,固化交联度逐渐增大
从而主导树脂体系粘度变化
粘度迅速增大,这就是化学增粘
化学增粘和物理减粘,两大机制相互竞争
导致树脂体系的粘度随温度的变化
呈现先降低、中间平衡、后升高的三阶段变化规律
这种三阶段变化规律,环氧树脂体系更加明显
如图所示
ABC分别对应下降、低粘度平台和上升三阶段
这里要特别强调的是
低粘度平台,对于真空导入模塑工艺尤其重要,因为这是工艺操作窗口
根据前面的分析
树脂体系的粘度特性与温度、时间和固化反应等因素密切相关
而描述这种树脂粘度变化规律的数学模型,我们称为流变模型或粘度模型
目前主要有理论模型、半经验模型和经验模型等三种
而应用最方便和最实用的是
基于实验研究建立的经验模型
例如双阿累尼乌斯模型、工程粘度模型、Castro-Macosko模型等等
本课程中,只要求同学们掌握一种粘度模型
就是双阿累尼乌斯模型
双阿累尼乌斯模型它的一般形式如方程(5.2)所示
所谓的双阿模型
粘度与时间的关系、反应速率常数与温度的关系都遵循阿累尼乌斯方程
因此,称为双阿累尼乌斯模型
阿累尼乌斯方程有一大特点
方程两边取对数后可转化为一个线性方程
数据处理和分析尤为方便
这是对数处理后的双阿累尼乌斯等温和非等温模型
模型中μ为粘度,R为普适气体常数,K为指前因子,E为活化能
等温模型和非等温模型的区别在于
非等温模型中,需要考虑温度随时间的变化关系
研究树脂的流变模型
目的是用模型来预测树脂体系的粘度特性
下图就是根据双阿模型预测的树脂粘度与实验测试值的对比
由图可知,低粘度阶段
模型预测值与实验值偏差较大
主要原因是双阿模型未考虑物理减粘
这是双阿模型预测的树脂粘度-温度-时间曲线
根据预测值,我们可以得到
树脂体系的工艺窗口
也就是树脂注射应该控制在如表所示的低粘度平台及其低粘度平台时间内完成
例如
大于两小时的树脂注射
应该选择或控制在室温25、30和35摄氏度条件下进行
这就是工艺窗口预测及其意义,也是流变模型建立的终极目的
-1.1 课程简介及复合材料定义
--1.1.2 作业
--1.1.3讨论
-1.2 复合材料的命名与分类
--1.2.2 作业
-1.3 复合材料的特点
--1.3.2 作业
-1.4 复合材料的应用
--1.4.2 作业
--1 引言 课件
-2.1 颗粒增强原理
--2.1.2 作业
-2.2 短纤维增强原理
--2.2.2 作业
-2.3 界面效应
--2.3.2 作业
-2.4 复合材料界面
--2.4.2 作业
-2.5 复合材料界面表征与分析
--2.5.2 作业
-3.1 增强材料概述
--3.1.2 作业
-3.2 玻璃纤维概述、生产工艺、成分与结构
--3.2.2 作业
-3.3 玻璃纤维的性能、制品与规格
--3.3.2 作业
-3.4 碳纤维概述
--3.4.2 作业
-3.5 碳纤维的制备工艺
--3.5.2 作业
-3.6 碳纤维的结构、性能、制品与规格
--3.6.2 作业
-3.7 芳纶纤维
--3.7.2 作业
-4.1 聚合物概述
--4.1.2 作业
-4.2 聚酯概述、化学结构、合成与交联
--4.2.2 作业
-4.3 聚酯的性能与应用
--4.3.2 作业
-4.4 环氧树脂概述、化学结构、合成与表征
--4.4.2 作业
-4.5 环氧树脂的交联、性能与应用
--4.5.2 作业
-4.6 酚醛树脂及其他热固性树脂
--4.6.2 作业
-4.7 热塑性树脂及聚合物基复合材料的应用
--4.7.2 作业
-5.1 陶瓷及陶瓷基复合材料概述
--5.1.2 作业
-5.2 陶瓷基复合材料成型工艺
--5.2.2 作业
-5.3 陶瓷基复合材料的界面及强韧化
--5.3.2 作业
-5.4 碳碳复合材料及陶瓷基复合材料的应用
--5.4.2 作业
-6.1 金属基体
--6.1.2 作业
-6.2 金属基复合材料成型工艺
--6.2.2 作业
-6.3 金属基复合材料的界面
--6.3.2 作业
-6.4 金属基复合材料的性能与应用
--6.4.2 作业
-1.2 作业
-2.1 应力与应变
--2.1.2 作业
-2.2 广义胡克定律
--2.2.2 作业
-2.3 工程常数、平面应力状态、应力应变转换
--2.3.2 作业
-3.1 单向板的正轴刚度、刚度柔度变换
--3.1.2 作业
-3.2 倍角变换、偏轴工程常数
--3.2.2 作业
-4.1 层合板的代号、面内刚度
--4.1.2 作业
-4.2 典型层合板的面内刚度
--4.2.2 作业
-4.3 层合板的弯曲刚度
--4.3.2 作业
-4.4 单向层合板、对称层合板及夹芯结构的弯曲刚度
--4.4.2 作业
-5.1 最大应力与最大应变准则
--5.1.2 作业
-5.2 蔡-希尔、蔡-吴强度准则
--5.2.2 作业
-5.3 层合板的强度分析
--5.3.2 作业
-5.4 层合板的极限强度
--5.4.2 作业
-6.1 细观力学引言、平均性质
--6.1.2 作业
-6.2 单向板的工程常数
--6.2.2 作业
-6.3 单向板的强度
--6.3.2 作业
-6.4 热膨胀与湿溶胀系数
--6.4.2 作业
-6.5 层合板的残余应力
--6.5.2 作业
-7.1 复合材料结构控制方程
--7.1.2 作业
-7.2 简单构型复合材料一维受力构件的力学分析
--7.2.2 作业
-8.1 复合材料层合梁
--8.1.2 作业
-8.2 复合材料板梁
--8.2.2 作业
-8.3 复合材料薄壁梁
--8.3.2 作业
-1.1 绪论
--1.1.2 作业
--1.1.3 讨论
-2.1 手糊基本原理
--2.1.2 作业
-2.2 树脂对纤维的润湿(上)
--2.2.2 作业
-2.3 树脂对纤维的润湿(下)
--2.3.2 作业
-2.4 手糊技术进展和典型应用
--2.4.2 作业
-3.1 RTM基本原理
--3.1.2 作业
-3.2 树脂渗流规律
--3.2.2 作业
-3.3 树脂流动模拟分析
--3.3.2 作业
-3.4 RTM技术发展和典型应用
--3.4.2 作业
-4.1 RFI基本原理
--4.1.2 作业
-4.2 RFI树脂膜体系
--4.2.2 作业
-4.3 树脂固化制度的确定和RFI典型应用
--4.3.2 作业
-5.1 VIMP基本原理
--5.1.2 作业
-5.2 树脂的粘度特性
--5.2.2 作业
-5.3 纤维预成型体的渗透特性和VIMP典型应用
--5.3.2 作业
-6.1 拉挤基本原理
--6.1.2 作业
-6.2 拉挤内脱模剂
--6.2.2 作业
-6.3 拉挤技术发展和典型应用
--6.3.2 作业
-7.1 缠绕基本原理
--7.1.2 作业
-7.2 缠绕线型规律
--7.2.2 作业
-7.3 缠绕工艺参数、技术发展和典型应用
--7.3.2 作业
-8.1 模压基本原理和模压料工艺性
--8.1.2 作业
-8.2 SMC片状模塑料
--8.2.2 作业
-8.3 模压关键工艺参数和典型应用
--8.3.2 作业
-9.1 概述
--9.1.2 作业
-9.2 PIP基本原理
--9.2.2 作业
-9.3 PIP关键步骤
--9.3.2 作业
-9.4 致密化和典型应用
--9.4.2 作业
-课程考试

