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          環氧樹脂的固化分析

          環氧樹脂是泛指分子中含有兩個或兩個以上環氧基團的有機高分子化合物,具有粘附力強,收縮性低的特點,而高固化度的環氧樹脂具有更加優異的粘接強度,同時在穩定性,柔韌性,及溶劑穩定性上的優異表現,使其應用十分廣泛。而提高固化度的關鍵在于固化過程,因此需要對固化過程進行更深入的研究。

          圖1展示了微波爐對環氧樹脂復合材料進行的固化實驗,實驗裝置微波爐為半球形腔體,微波爐的波導管在半球形腔體底端的一側。實驗中,將纏有環氧樹脂復合材料的模具放置在微波爐中央,在一定的微波功率加熱,實現對復合材料的固化;最終得到如圖2所示的環氧樹脂復合材料環。

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          ? ? ? ? ? ? ? ?圖1 :實驗用的微波爐裝置

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          圖2:環氧樹脂復合材料環

          ? ? ? ? 微波固化環氧樹脂復合材料,本質上就是指在微波作用下,環氧樹脂因內部介電損耗而被快速加熱固化。在此過程中包含有兩項內熱源,一項為樹脂固化反應放熱,另一項為樹脂因吸收微波而產生的介電加熱。為此,微波固化過程是一個含有兩項內熱源(介電損耗加熱和固化反應放熱)的電磁-傳熱-固化動力學多物理場耦合的過程,需要用Maxwell方程組來求解電場強度,用熱傳導方程獲得材料中的溫度分布,用固化動力學方程來計算固化度。

          建模過程中困難主要來源于網格剖分過程中的諸多問題,合理的網格剖分一方面要提高計算速度,另一方面也要保證計算精度;最終形成網格剖分如圖3所示。

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          圖3:網格剖分示意圖

          ? ? ? ? 根據實驗需要,在仿真過程中復合材料環的外側面中心線上確定一個溫度監測點,只要這個點的溫度超過120℃,就停止微波輻照,當溫度低于100℃,就開啟微波輻照。因此定義新參數beta,根據不同情況選擇合適的參數乘子,實現該微波輻射過程。

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          ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖4:60min溫度分布圖

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          ? ? ?圖5:固化度計算與實驗結果對比

          ? ? ? ? 圖4展示了在60min時,復合材料環溫度達到最高,最高點溫度123攝氏度;圖5為仿真計算得到的固化度計算結果和實驗結果的對比圖,從對比圖數據可以看出,僅在17min實測固化度數據和仿真結果有偏差,但仍在可以接受的范圍,可以認為仿真實現了固化過程的分析,取得了較好的效果。

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