摘　要：针对热压罐成型工艺过程中加压时机不易准确把握的特点，研究了1种确定复合材料热压罐成型加压时机的计算方法。通过两种不同类型的树脂体系5405双马树脂和5284环氧树脂的实验表明，该方法的实验值与理论计算基本一致，该方法简便易行并已成功应用指导了5284／T300复合材料的热压罐成型。
关键词：树脂基复合材料；热压罐成型工艺；凝胶时间；加压点

0　引言

　　虽然液态成型工艺等低成本技术在先进复合材料制造中应用越来越广泛，但热压罐成型工艺仍然是树脂基复合材料重要的成型方法。对热压罐成型工艺过程的模拟主要集中在成型过程中的变形控制、流动规律、热传递和温度场分布模拟等，基本未涉及加压工艺的模拟计算。加压点是热压罐成型工艺的重要参数，加压点的确定直接影响到复合材料的性能。若加压时间太晚(在树脂基体的凝胶点之后)，会造成复合材料有较多的孔隙，甚至造成大面积的分层，而且会造成树脂基体在复合材料中的分布不均；对于粘度较低的树脂基体，若加压时间太早，会造成树脂基体大量流失，将严重影响复合材料的各项性能。因此，复合材料热压罐成型的加压时机的确定对复合材料的成型有重要的影响。
　　在复合材料制件的研究和生产中，虽然加压点的确定也是以某一温度下的凝胶时间作为依据，但是复合材料制件的大小、模具的大小和热压罐的加热升温能力均有不小的差异，因此不同复合材料制件成型过程中升温速率均有差异，每次成型中从室温升温至某一温度的过程中，树脂也会发生相当程度的反应，而且每次成型过程热压罐的升温速率、不同热压罐的升温速率等条件各不相同，使树脂的固化程度很难准确估计，因此其加压时机只能凭经验加以确定。针对热压罐加压时机把握不准确的特点，本文采用一种称为凝胶参数理论的方法准确控制热压罐加压时机。

1　实验部分

1.1　原材料
　　5284环氧树脂基体：北京航空材料研究院；5284／T300预浸料：北京航空材料研究院；5405双马来酰亚胺树脂基体：北京航空材料研究院。
1.2　实验方法
　　凝胶时间测定：小刀法，参照原GB5259―1985；5284／T300复合材料成型：热压罐法成型；凝胶参数的计算：采用MicroCal Orign软件积分计算。

2　结果与讨论

2.1　模型建立
　　通常，复合材料树脂基体的凝胶时间与温度的关系基本符合方程1。

　　式(1)中t_gel凝胶时间(min)，T为反应温度(℃)，A、B、a、b分别是曲线拟合产生的参数。
　　由式(1)变换得式(2)。

　　由(2)式可见，对于某一配方的树脂，在任何恒定温度下反应至凝胶状态时，B值始终为一个常数，定义为凝胶参数。
　　根据凝胶点的定义，凝胶点是指树脂从线形结构向体形结构转变的状态点，因此凝胶点的反应程度只与树脂体系的组成有关，而与反应温度等外在因素无关。根据式(2)，B值是树脂体系在温度和时间效应下累积的结果。
　　假设参数F为衡量树脂体系固化反应程度的一个参数，反应程度只与反应温度和反应时间相关，即F=f(T，t)。而在某一恒定温度(T)下，当时间有一个微量变化出时，参数F也有一个微量增量dF,，当F值增长到B值时，树脂分子结构从二维线形分子结构向三维体形结构转变，树脂从可流动状态向不可流动状态转变，即树脂发生凝胶。当时间进一步延长，F值进一步增加，F值大于B值时，树脂反应程度进一步提高，树脂基体进入不可流动状态。
　　假设：t-A=x，EXP[(T-a)／b]=y，也就是x为时间参数、y为温度参数，那么：dF=ydx，dF也就是x、y关系曲线下的微分面积。在恒温条件下，y为常数：    。在y为变化参数情况下，每1个温度点必然有其对应的时间点，温度参数y肯定是时间的函数：y=f(t-A)即y=f(x)(t是实验过程中的任意时间点)，那么dF=f(x)dx，因此：

　　从式(3)可以认为，每1次升温固化条件下，不论温度如何变化，固化反应程度(F参数)只与反应时间相关。将F定义为树脂反应程度参数，当F>B时，说明树脂已经凝胶；若F<B，说明树脂尚未凝胶。
2.2　树脂凝胶时间曲线方程及凝胶参数的确定
　　表1是5284环氧树脂在不同温度下的凝胶时间数据。

　　以温度T为横坐标，凝胶时间t_gel为纵坐标，进行曲线拟合，得如下指数方程：

　　按方程(2)对式(4)进行变换，得式5：

　　　也就是说根据2.1节的理论，对于5284树脂体系，当的值达到B值(34.104)时，树脂即达到凝胶。
　　将树脂置于凝胶盘中，记录树脂反应的温度(升温速率随意改变)与时间，直至树脂发生凝胶。
　　表2是树脂在达到凝胶状态过程中的时间与温度情况及有关计算结果。其中包括5284树脂验证实验1和验证实验2，实验的大时间均为树脂达到凝胶时的时间，验证实验1和2的升温速率和保温状态均不相同，但它们后积分的结果(反应程度参数F)基本与B值(34.104)接近，分别为34.07和34.21。这从实验上验证了方法模型的可靠性。

　　5405双马树脂在不同温度下的凝胶时间(见表3)。

　　采用与5284树脂相同的方法拟合出5405树脂的凝胶时间随温度变化的方程见式(6)。

　　式(6)与式(4)一样为指数降曲线。根据2.1节的凝胶参数理论，5405树脂的凝胶参数为218.94。应用Origin软件计算5405树脂的反应程度参数F值为217.29，该值与5405树脂的凝胶参数218.94非常接近。
　　5284树脂和5405树脂是两种完全不同种类的树脂，但是实验表明这两种树脂与凝胶参数理论都非常符合，这从实验的角度验证了它的可靠性。
2.3　凝胶参数指导5284／CF复合材料的加压工艺
　　表4是5284／CF复合材料两种不同的工艺加压前的温度时间关系表。

　　根据计算，采用工艺1成型时，其凝胶参数为37.30，大于临界临界参数，这时树脂已经凝胶，按照此工艺成型的复合材料有大量的孔隙，甚至有大面积的分层(如图1所示)(超声波C扫描探伤)。采用工艺2成型5284／CF复合材料时，其凝胶参数为23.38，小于临界凝胶参数，在这个时机加压，能使树脂充分流动，成型的复合材料没有发现分层现象，内部缺陷明显降低。

3　结论

　　以树脂体系的凝胶时间曲线方程为基础，采集固化过程的时间和温度参数，采用凝胶参数计算方法能较为准确地估算树脂基复合材料在热压罐成型时的树脂的固化反应程度，以便于把握其加压时间，实践证明这种方法能有效地减少确定加压时机的盲目性，提高复合材料的成型质量。