作者：李仲平
出版社：电子工业出版社
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第十八届全国复合材料学术会议论文集(下册)试读：
前言
复合材料作为当今高科技发展中新材料开发的一个重要方面，已广泛应用于国防和国民经济建设的各个领域，并已进入高速发展阶段，复合材料的技术水平日益提高、产品结构不断完善，已成为我国高技术产业突破技术瓶颈、增强相关产业国际竞争力的一个有力支撑。
全国复合材料学术会议自1980年举办第一届至今已经成功举办了17届，作为国内复合材料领域的高水平会议，为相关领域的科研人员搭建了良好的交流平台，为促进复合材料技术水平的提升发挥了重要作用。以“复合材料：更高、更强、更可靠”为主题的第十八届全国复合材料学术会议由中国宇航学会、中国力学学会、中国复合材料学会、中国航空学会联合主办，航天材料及工艺研究所和厦门大学联合承办，先进功能复合材料技术重点实验室、国防科技工业树脂基复合材料结构制造技术研究应用中心、功能性碳纤维复合材料技术国家工程实验室等协办。本次会议得到了我国复合材料研究领域广大学者、中国航天科技集团公司、国家重点实验室及各相关学术团体的大力支持，共收录论文225篇，论文的内容充分展示了当前复合材料增强材料及增强体、基体树脂及先驱体、聚合物基复合材料、复合材料力学结构分析与设计、复合材料性能检测与表征等方面的近期研究成果。
本论文集经过编委会的认真审阅后定稿，并由电子工业出版社以书配盘形式正式编印出版，具有国际统一书号和条形码，希望该论文集能为从事复合材料领域的专业人士提供帮助。感谢论文作者、论文审查专家和论文编辑出版单位的辛勤劳动，感谢相关学会和协办单位的大力支持！论文集中如有疏漏之处，敬请读者批评指正。2014年9月石英纤维陶瓷基复合材料PCD刀具钻孔工艺研究11112鲍永杰 赵 桐 高 航 冉 冲 雷建华（1大连理工大学，机械工程学院，大连 116024）（2航天材料及工艺研究所，北京 100076）
摘 要 石英纤维增强陶瓷基复合材料导热性差、纤维硬度高，为机械加工带来巨大的困难，尤其是钻孔加工，切削刃处于半封闭区域，热量无法及时排出，导致刀具磨损严重甚至报废，加工质量差。针对这一问题，使用φ6 mm PCD钻头刀具，开展间歇进给钻孔技术试验研究。试验结果表明：与传统连续钻削加工相比，采用PCD刀具对石英纤维增强陶瓷基复合材料盲孔加工时，轴向切削力降低约30%，切削过热烧蚀得到改善，并可获得良好的加工质量。
关键词 石英纤维复合材料，PCD，间歇进给，钻孔
1 引言
石英纤维增强陶瓷基复合材料具有耐热、耐腐蚀、尺寸稳定性及［1］介电性能好、透微波性好等优点。同时，多向编织结构的增韧效果极大改善了石英陶瓷的脆性缺陷，使其成为一种良好的防热、承载、透波功能材料。基于以上诸多优势，石英编织材料在航空航天材料领［2］域，如天线罩、天线窗等得到广泛应用。然而，陶瓷基复合材料的高硬度（石英莫氏硬度为7）、低导热系数为机械加工带来了巨大的困难，尤其是孔加工，刀具处于半封闭区域，切削温度高，极易产生刀具磨损和材料烧伤问题，成为陶瓷基复合材料制孔加工中亟待解决的难题。
目前已有众多学者针对各种高性能复合材料钻孔技术进行研究。［3］Redouane Zitoune等使用纳米涂层钻头在不同参数下对碳纤维复合材料与铝合金叠层板结构件进行钻孔加工，取得了较好的表面质量，［4］钻削力降低。Abrão A M等研究了钻头几何外形对玻璃纤维复合［5］材料钻削力与加工质量的影响。Park K等以碳纤维复合材料/钛合金叠层板为加工对象，使用聚晶金刚石（PCD）刀具进行钻削试验，并分析了切削热与刀具磨损的关系。
而对于石英纤维增强陶瓷基复合材料，由于麻花钻钻孔的固有特性，钻头中心线速度为0，中心区域材料受挤压作用产生切屑；石英导热性差，切削热无法及时传导，随钻孔深度增加，排屑困难，切削温度急剧上升，刀具磨损严重，同时会造成石英材料烧蚀。因此，石英纤维增强复合材料钻削工艺有待探索与完善。针对排屑困难与切削过热等问题，本文使用PCD刀具进行石英纤维增强复合材料间歇进给钻削工艺的研究。相比于硬质合金钻头，PCD刀具硬度高、抗压强度高、导热性及耐磨性好，更适合切削高硬度材料，加工质量高、刀具寿命长，避免了因切削刃磨损与加工过热的频繁换刀等许多工序准备，可实现对石英纤维增强复合材料进行高效、高质钻孔加工。
2 PCD刀具间歇进给钻削工艺原理
在连续进给钻削中，由于切削作用无间断持续进行，切削热无法及时传导，从而不断累积，易造成切削温度过高，导致刀具切削刃急剧磨损，降低加工质量。因此，考虑采用数控编程分步间歇进给钻削。如图1所示，一个钻削循环内包括轴向进给、抬刀脱离加工区域、刀具停留冷却三个阶段。程序多步执行，最终实现整个孔钻削加工过程。图1 间歇进给钻削原理图
单个钻削循环内，钻削深度h由轴向进给深度与抬刀高度共同决定。在单次进给中，刀具对材料进行连续切削，若进给深度过大，则会导致切削热累积、切屑堆积。为保证必要的容屑排屑及切削散热空间，抬刀距离不宜过小。单个循环内，刀具在抬刀与暂停两阶段均与工件发生分离，切削区域冷却时间为两阶段之和。而从整个加工过程来看，间歇进给钻削的切削作用被离散成众多短时切削去除，容屑排屑与散热条件得到改善。同时，相比加工中完全脱离孔的抬刀冷却手段，节省了不必要的走刀距离，提高了加工效率。
对于石英纤维增强陶瓷基复合材料孔加工，由于材料硬度高，一般硬质合金铣刀难以满足需求。而PCD的硬度可达8 000 HV，为硬质合金的8～12倍。同时，PCD片导热性更好，在间歇脱离阶段散热特性更好，缩短了散热时间，有利于减少脱离时间，进一步提高间歇进给钻削加工效率。
3 试验设计
3.1 试验系统建立
螺旋铣磨制孔试验在自主研制三轴联动数控机床上进行，主轴转速为0～12 000 r/min。试验材料为2.5D石英纤维增强陶瓷基复合材料。试验中，切削力测量采集系统包括Kistler 9257B三向测力仪、Kistler 5007电荷放大器及USB 8516数据采集卡，如图2所示。图2 钻削试验测力系统结构简图
3.2 工艺参数
以石英纤维增强陶瓷基复合材料为对象，进行φ6 mm盲孔加工试验研究。其中，主轴转速n=4 000 r/min，单个钻削循环内轴向进给速度为2 mm/min，进给深度为0.5 mm，抬刀高度为0.2 mm，暂停冷却时间为1 s。另一方面，使用φ6 mm硬质合金钻头连续钻削，从切削力、加工质量等方面进行对比。
4 结果与分析
4.1 切削力
在传统钻削加工中，钻头沿孔中心线连续进给，且在稳定钻削阶段轴向趋于恒定。如图3所示为PCD刀具间歇进给与硬质合金刀具连续钻削的钻削力变化趋势。总体而言，二者钻削力都呈现先逐渐上升，后逐渐稳定的变化趋势，这主要是由麻花钻钻削特性决定的。钻削初始阶段，钻头开始接触工件表面，受材料挤压作用，切削力由零增大。径向剖面内主切削刃作用力可分解为轴向分力F和水平方向的径向分z力F。钻削力过大可能会使入口处的材料产生崩碎。随着钻头不断深t入，主切削刃参与切削部分长度逐渐增加，钻削力快速增加。随钻削深度增加，钻头逐渐渗入工件内部，钻头接触部分增加，直至钻头主切削刃整体进入工件，钻头稳定钻削。钻削力周期振荡，幅值基本保持不变。
另一方面，在实际加工中由于石英纤维增强陶瓷基复合材料的高硬度与低导热性，导致在使用硬质合金钻头连续钻削时，刀具急剧磨损，钻削力由于刀具性能下降而呈上升趋势。而采用PCD刀具间歇进给加工，由于PCD刀片在硬度与导热性方面的优势，且周期性分段式进给与抬刀冷却改善了切削过热现象，刀具寿命相对提高，加工过程未出现因切削刃磨损而带来的钻削力显著上升。图3 钻削切削力变化趋势对比
硬质合金刀具在钻削石英纤维增强陶瓷基复合材料时磨损严重，切削刃刀尖圆弧半径迅速增大，导致切削性能严重下降。如图4所示，刀尖圆角过大会造成与石英纤维接触面积增大，单根纤维所受沿长度方向的摩擦拉扯作用力f增大，沿纤维切向正压力F增大，从而使钻n削力随钻孔深度增加而变大。而PCD刀具硬度耐磨性较好，可长时间保持较小刀尖圆角，切削性能稳定。由于PCD刀片摩擦系数仅为0.1～0.3（硬质合金的摩擦系数为0.4～1），当与纤维材料接触面积相同时，有利于减少切削刃前后刀面与材料的摩擦作用，从而降低钻削力。由图3中可知PCD刀具间歇进给比硬质合金刀具连续钻削最大轴向切削力下降30%左右。图4 切削受力分析
4.2 制孔质量
采用PCD刀具间歇进给钻孔，盲孔入口质量如图5、图6所示，入口处孔边完整，无明显崩边、纤维毛刺；孔内壁及入口处无因切削温度过高导致的烧蚀变色发生。而通过与硬质合金钻头连续钻削的对比，可明显看出后者加工质量较差，孔边产生严重崩坏、烧伤等缺陷。图5 PCD刀具间歇进给钻孔入口
在连续钻削作用下，切削刃始终作用于材料。由于陶瓷基体为脆性材料，所以材料破坏形式以脆性断裂为主。刀具后刀面与材料持续摩擦，切削热累积，由于石英材料导热性差，热量产生速率远大于传导速率，切削区域温度不断上升，所以材料加工区域产生严重烧伤，刀具急剧磨损。而在间歇进给条件下，材料切削热量产生速率不变，而分段切削增加了冷却时间，切削区域热量累积较弱。同时，PCD刀片导热系数较高，切削热以更快的速率向外传递。另一方面，由于抬刀过程的存在，容屑排屑更为顺畅，有利于通过切屑带走热量。结合以上各种优势，使用PCD刀具间歇进给钻削加工石英纤维增强陶瓷基复合材料能显著改善加工质量。图6 硬质合金刀具钻孔入口
进一步通过局部放大可以发现硬质合金钻孔入口崩边现象十分严重，且材料表面形成烧伤变质层，钻孔质量较差；而通过PCD刀具间歇进给钻削，孔边纤维端面较为齐整，仅含有少量毛刺，如图7和图8所示。对于纤维增强复合材料钻削工艺，要求钻头足够锋利。一旦刃口磨钝，切应力不足以使纤维断裂，纤维承受拉扯摩擦下拉应力作用，断裂形成无规则毛刺。而对于PCD刀具间歇进给钻削，一方面由于PCD刀片摩擦系数小，单位石英纤维上作用力减小，非均匀拉扯作用减弱；同时，间歇进给特性改善了加工散热，降低刀具磨损，维持切削刃的锋利度，使材料沿切削速度方向均匀断裂。图7 PCD刀具间歇进给孔边局部放大图8 硬质合金刀具入口崩边局部放大
4.3 加工效率
由于受限于材料硬度与切削热等，传统麻花钻钻头难以加工或钻削进给速度取值过小、效率低。为避免切削热持续累积，加工中必须间歇停止，使刀具及工件温度降低，否则会造成刀具过热磨损与工件烧伤。且硬质合金刀具若磨损严重，则单一刀具难以完成钻孔，从而需要多次换刀，增加了工序，降低了加工效率。而采用PCD刀具间歇进给，刀具断续作用于工件，增加了散热冷却时间；抬刀使容屑空间增大，利于排屑带走切削热。同时，PCD刀具性能优异，在硬度、耐磨性、导热性等方面对比硬质合金刀具好，可以实现高效、高质的加工。
虽然局部上间歇进给钻削增加了抬刀与暂停冷却，是断续切削，但切削温度过高的问题得到了解决，刀具寿命延长，避免了频繁换刀与工序准备。在相同轴向进给速率下，间歇进给走刀时间增加60%～70%。但对于连续进给钻削，所占比重较大的停刀、换刀工序是造成加工效率低下的最主要因素。且在效率优化方面，间歇进给钻削更具优势。针对不同特性材料，通过改变钻削循环进给深度与抬刀高度等参数配比，可进一步缩短加工时间。因此整体而言，PCD刀具间歇进给可实现制孔连续加工，提高石英纤维增强陶瓷基复合材料的制孔效率。
5 结论
本文通过试验及结果分析，证明了对于石英纤维增强陶瓷基复合材料，使用PCD刀具间歇进给钻削是一种可行的加工工艺，且相对硬质合金钻头连续钻削具有诸多优势，具体如下：（1）采用的PCD刀具硬度高，解决了硬质合金钻头面对高硬度石英纤维无法加工的问题。（2）间歇进给方式增加了刀具冷却过程，且降低了轴向切削力，利于减少孔边缺陷。（3）走刀断续切削，容屑空间增大，显著降低切削温度，减少刀具磨损，避免材料烧伤；石英纤维被齐整切断，加工无明显毛刺。（4）切削温度过高问题得以改善，采用合理的参数范围可实现对石英纤维增强陶瓷基复合材料的连续高效制孔。
参考文献
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［4］Abrão A M，Rubio J C C，Faria P E，et al.The effect of cutting tool geometry on thrust force and delamination when drilling glass fibre reinforced plastic composite［J］.Materials & Design，2008，29（2）：508-513.
［5］Park K，Beal A，Kim D D，et al.Tool wear in drilling of composite/titanium stacks using carbide and polycrystalline diamond tools［J］.Wear，2011，271（11-12）：2826-2835.镁酚醛快速模压成型技术研究操亚平 李 杰 宋元明 高玉光 杨丽君 李 寅（航天材料及工艺研究所，北京 100076）
摘 要 围绕镁酚醛/高硅氧玻璃纤维快速成型工艺，结合实验数据和理论分析，在装料、模压、后固化等三个方面开展研究，确定了预压制、快升温、后固化成型方法。通过这种改进方法的实施，使制品拉伸性能满足常规要求，制品尺寸稳定，生产效率大幅提高。
关键词 模压，快速成型，镁酚醛，后固化Research on Rapid Moulding Solidification Technology of Mg-Phenolic ResinCao Yaping Li Jie Song Yuanming Gao Yuguang Yang Lijun Li Yin（Aerospace Research Institute of Materials & Processing Technology，Beijing 100076）
Abstract Based on the resated issues of rapid moulding solidification，high silica glass fiber/Mg-Phenolic resin materials are investigated.Research results on charging system，Moulding and Post-Cure show that materials can meet the requirements of performance and dimension precision，and what more，productivity is greatly improved.
Key words Moulding，Rapid solidification，Mg-phenolic resin，Post-cure
1 引言
加聚乙烯醇缩丁醛的镁酚醛树脂是苯酚、甲醛在氧化镁做催化剂的条件下，经过苯胺和聚乙烯醇缩丁醛改性的热固性树脂，其模压料具有良好的流动性，成型速度快，其制品有较好的力学性能、良好的［1］电绝缘性能和耐热性能，在防隔热领域得到广泛应用。
对于模压产品，产品的毛坯几何尺寸大小、厚度、加热方式不同，相应的压制周期也变化较大。其中，小型模压制品（外径在φ200 mm以下）压制周期约为8 h，中型模压制品（外径为φ200～φ550 mm）压制周期约为12～15 h，大型模压制品（外径在φ550 mm以上）［2］压制周期约为30 h，因此生产效率较低。
据报道称，采用快速模压成型工艺可制备一些防热、耐烧蚀、高强度的镁酚醛树脂制品。但后固化是实现快速模压的重要途径，本文侧重后固化技术，探讨快速模压工艺。
2 实验部分
2.1 主要原材料
高硅氧玻璃短切纤维（简称高硅氧纤维），SiO含量≥96%，36 2mm，陕西兴平华特玻璃纤维有限责任公司；镁酚醛树脂（黄褐色），河北省高碑店市铜山化工厂。
2.2 主要仪器与设备
INSTRON 8032动态材料试验机，英国INSTRON公司；
YH73-500压机，合肥锻压机床厂；
SX2-4-10箱式电阻炉（马弗炉），上海跃进医疗器械有限公司；
ESJ120-4电子天平，沈阳龙腾电子有限公司；
HT1-313C电热鼓风干燥箱，重庆市威尔试验仪器有限公司。
2.3 工艺流程及参数
以高硅氧纤维/镁酚醛树脂预混料模压制品性能和尺寸研究为基础，结合实际模压成型工艺经验，制定如下模压工艺流程：预压件制作→装料→快速模压→出模→后固化→成品
2.4 结果与讨论
按照上述模压工艺流程，快速模压小型制品（外径在φ200 mm以下），评估小型件后固化尺寸情况；同时制备拉伸性能试片，按DqES 77—98测试，评估制品力学性能。
2.4.1 固化温度对残炭率的影响
预混料在固化温度下交联，形成多维网络结构，耐热性能得到提高。通常，将残炭率作为衡量材料耐热性能的一个重要指标。如表1所示为镁酚醛树脂在不同固化温度下固化30 min的残炭率。表1 镁酚醛树脂在不同固化温度下固化30 min的残炭率Tab.1 Carbonation ratio of Mg-PR at different curing perature for 30 min
在固化过程中，如果固化温度过低，树脂固化所需时间长，或者［3］固化不完全，会使镁酚醛树脂残炭率下降。固化温度过高，表层固化较快，通道封闭，内层小分子不能从气体通道逸出，就会出现内部固化不均匀，影响致密性，残炭率也较低。
2.4.2 后固化对制品尺寸的影响
对于快速模压成型工艺，后固化工艺是固化的延续，一方面可以在烘箱中批量进行固化，提高生产效率，达到快速成型的目的；另一方面，后固化对保证产品性能至关重要，使产品的耐热性能和力学性［4］能得到提高。
在模压后控制保温时间和温度，可以消除一部分内应力，但制品中还会存在残余内应力。这种内应力常使模压制品产生翘曲、开裂等缺陷。为尽量消除制品内的残余内应力，可以进行热处理，即提高制品固化反应程序，使尚未固化的料团之间继续交联，增加密度，去除残留挥发物并消除残余内应力，从而使制品机械性能、耐热性能、吸［5］湿性能有所提高。由此对于树脂基复合材料，热处理是保证产品尺寸稳定性的一个途径。
通常，对于纯有机复合材料，如涤纶/酚醛等，在120～150℃下，热处理时间长达60多小时，产品尺寸稳定；对于无机纤维增强玻璃钢，如酚醛/玻璃纤维复合材料，在135～160℃，保温3～6 h，产品固化度达到90%以上。
快速模压制作小型制品，评估后固化前后尺寸情况，具体如表2所示。表2 后固化前后尺寸对比Tab.2 Comparative measurement during heat treatment
表2说明，后固化前后尺寸略有变化，变动约0.20 mm。产品在后固化中进一步交联，树脂反应收缩；释放内应力，造成部分尺寸变大，因此部分尺寸出现偏差。综合考虑，制品公差一般在0.20～0.30 mm，通过模具补偿，可以初步实现小型件快速模压。
2.4.3 后固化制品对拉伸性能的影响
对复合材料的拉伸强度及断裂延伸率进行测试，测试结果如表3所示。表3 不同后固化条件下拉伸力学性能Tab.3 Tensile properties of different heat treatment conditions
对高硅氧纤维/镁酚醛树脂制品进行后固化，镁酚醛树脂进一步交联，力学性能得到提高。从表3可以看出，160℃后固化2 h是比较合适的条件，进一步延长固化时间，对力学性能影响不太显著。
3 结论
高硅氧纤维/镁酚醛树脂复合材料，在150℃可以实现快速模压工艺。结合预压温度、成型温度、后固化工艺技术，制定快速模压成型工艺制度。对制品的拉伸性能、残炭率及外形尺寸进行研究。结果表明，快速模压成型制品与常规模压拉伸性能和尺寸相当，但快速模压成型用时4～6 h（含后固化时间），比常规模压生产效率提高一倍以上。利用快速模压工艺制备的高硅氧纤维/镁酚醛树脂复合材料在武器防热、耐烧蚀模压制品方面具有广阔的应用前景。
参考文献
［1］黄发荣，焦杨声.酚醛树脂及其应用［M］.北京：北京化学工业出版社，2003.
［2］王艳立，斯琴高娃.快速成型模压制品工艺及性能研究［J］.航天制造技术，2005，（4）：39.
［3］粱云，孙励志，等.树脂模压固化工艺对碳纤维纸性能的影响［J］.中国造纸，2010，（12）：20.
［4］王鸿，沐霖，等.酚醛模塑料制件后固化处理的研究［J］.绝缘材料，2001，（5）：42-43.
［5］杨志生，贾丽霞.玻璃纤维增强酚醛树脂模压制品工艺研究［J］.航天制造技术，2008，（4）：20.蜂窝夹层结构复合材料热压工艺三维温度场模拟111211陈 超 李艳霞 顾轶卓 李 薇 李 敏 张佐光（1北京航空航天大学，材料科学与工程学院，空天材料与服役教育部重点实验室，北京 100191）（2哈尔滨飞机工业（集团）有限责任公司，哈尔滨 150066）
摘 要 本文根据热传导方程和树脂体系固化动力学方程，采用有限单元法，探究建立了针对蜂窝夹层结构复合材料热压工艺过程的三维温度场数值模拟方法。该方法在考虑了蜂窝夹层结构各向异性的基础上，实现了蜂窝夹层结构复合材料成型过程的温度场与蒙皮中固化度分布情况的模拟计算。采用该方法分析了空气对流、封装材料和蜂窝夹芯高度与蒙皮厚度等因素对温度场分布的影响，模拟结果对于分析蜂窝夹层结构热压成型质量提供了依据，对工艺条件优化和成型质量控制具有重要的指导意义。
关键词 蜂窝夹层结构，热压工艺，三维温度场，数值模拟
作者简介：陈超，男，1989年出生，博士研究生，主要研究方向为先进树脂基复合材料成型工艺及工艺模拟。E-mail：chenchao_buaa@qq.com。
通信作者：李艳霞，女，1977年出生，主要研究方向为先进树脂基复合材料成型工艺及工艺模拟。E-mail：keenlili@126.com。Simulation of three-dimensional temperature distribution of honeycomb sandwich structure composite during hot pressing process11121Chen Chao Li Yanxia Gu Yizhuo Li Wei Li Min Zhang 1Zuoguang（1 Key Laboratory of Aerospace Advanced Materials & Performance（Ministry of Education），School of Materials Science and Engineering，Beihang University，Beijing 100191）（2 Hafei Aviation Industry Co.，Ltd，Harbin 150066）
Abstract A method to simulate three-dimensional temperature distribution of honeycomb sandwich structure composite during hot pressing process was developed by finite element method according to heat conduction equation and the curing kinetic equation of resin.The distribution of temperature and cure degree in honeycomb sandwich structure considering anisotropic properties were obtained and the effects of air convection，packaging materials and the height of honeycomb sandwich and the thickness of skin were analyzed.The work is significant since it provides a way to analyze the forming quality of honeycomb sandwich structure composite and provide guidance for the optimization of process conditions and control of processing quality.
Key words Honeycomb sandwich structure，Hot pressing process，Three-dimensional temperature distribution，Numerical simulation
1 引言
蜂窝夹层结构复合材料因其密度小但同时又具备比强度、刚度大［1～3］等优良性能而在航空航天领域具有广泛的应用前景。其成型的关键过程是蜂窝夹芯与蒙皮的胶接工艺，这个过程对成型质量至关重要。传统的胶接方式多采用二次成型法或三次成型法，即按照不同的［4，5］方式先将内或外蒙皮固化，再与蜂窝夹芯胶接固化，工序繁杂且耗时长，很难适应当前复合材料应用快速发展对于成型效率的要求，所以成型质量不易控制的一次成型法又逐渐得到研究者的关注。一次成型法是内、外蒙皮与蜂窝夹芯胶接一次固化成型，此方法工序简单、耗时短，适于批量生产。但由于蜂窝夹芯与蒙皮材料的物理特性差异较大，在热压成型过程中，结构中的热量传递情况复杂，容易发生温度分布不均匀的现象。内、外蒙皮成型固化历程差异大，直接影响了蜂窝夹层结构成型工艺制度的合理制定，造成复合材料性能的损失，甚至使制件产生严重缺陷。通过计算机模拟技术对该工艺过程进行模拟计算，实现对各因素影响温度分布的定量分析，进而优化工艺条件，改善成型质量，缩短研制周期，其学术和实际意义明显。
本文采用有限单元法建立了针对蜂窝夹层结构复合材料热压过程的三维温度场数值模拟方法，分析了碳纤维环氧树脂体系预浸料蒙皮与Nomex蜂窝热压成型过程中空气对流、封装材料和蜂窝夹芯高度与蒙皮厚度等因素对温度场分布的影响，研究结果对于分析和控制蜂窝夹层结构热压工艺成型质量有重要参考意义。
2 数值模型
2.1 温度场控制方程
由于蜂窝夹层结构复合材料热压过程存在多种不同材料、不同结构之间的热传递，且过程中还涉及蒙皮预浸料中树脂固化反应与温度的耦合关系，因此使温度场的控制方程复杂。但经过分析，可以将整个结构划分为两大部分，一为涉及树脂固化反应内热源的蒙皮预浸料部分，二为不含内热源的其他材料部分。
2.1.1 蒙皮预浸料热传导方程
假定复合材料内部同一位置上树脂与纤维温度相同，并忽略层板中孔隙对热传导的影响，同时不考虑成型过程中树脂流动引起的热量传递。依据Fourier热传导方程，含内热源材料的三维瞬态热传导控制［6，7］微分方程：
式中，ρ为复合材料密度；C为复合材料比热容；T为热力学温cp度；k、k、k为材料在整体坐标系下的导热系数；ρ为树脂密度；Vxyzrf为纤维体积分数；为反应热效率速率，与固化反应速率有关：
式中，H为反应过程的总放热量；α为固化度。u
关于固化反应动力学模型，国内外的研究表明同时考虑了自催化［8］行为和n级反应的Kamal动力学模型，能更准确地反映树脂的固化历程，模型方程为：
式中，α为固化度；A为指前因子；E为反应活化能；R为气体常数；T为热力学温度；m和n为反应级数。
2.1.2 蜂窝夹芯、工艺辅助材料与模具热传导方程
蜂窝夹芯材料、工艺辅助材料及模具材料可以采用不含内热源的热传导方程进行描述：
式中，ρ、C分别为蜂窝夹芯材料、工艺辅助材料及模具材料的aa密度、比热容；k、k 、k 为蜂窝夹芯材料、工艺辅助材料及模具axayaz材料的导热系数。
2.2 初始条件和边界条件
初始条件：设定整个工装体系与蜂窝夹层结构的温度分布均匀，固化度都约为0，即：
边界条件：体系表面为对流边界，根据对流换热系数h，可以得到：
式中，T为热压罐成型过程中的热压罐气氛温度，即温度制度。a
2.3 有限单元方程
由于在成型过程中，蒙皮材料中树脂的固化过程涉及固化度与温度的强耦合关系，即树脂的固化反应速率受温度的影响，同时固化反应放热又会引起体系温度分布的变化。所以，需要将温度场与固化度场进行耦合。基于虚位移原理，采用Galerkin等效积分方法，根据蒙皮预浸料和蜂窝夹芯、工艺辅助材料、模具的热传导微分控制方程，以及初始条件和边界条件得到虚功方程：
蜂窝夹层结构的几何模型如图1所示，图中六面体自上而下依次为辅助材料、上蒙皮、蜂窝夹芯、下蒙皮和模具。经过有限元网格化分后如图2所示，单元格类型为六面体八节点单元。图1 蜂窝夹层结构的几何模型Fig.1 Diagram of honeycomb sandwich structure图2 有限元网格划分Fig.2 Diagram of finite element mesh
计算过程采用迭代方法求解，先求解热传导控制方程，收敛后再求解固化动力学方程，即先求解式（7）和式（9），再求解式（8）。
3 模拟结果分析
在实际生产工艺中，热压成型蜂窝夹层结构需要使用多种辅助材料。在本文的研究中，为了能够降低研究问题的难度，只考察了对温度传导影响最大的透气毡材料，封装顺序如图1所示。模具材料为45#钢，以碳纤维环氧树脂体系作为铺覆蒙皮材料，以孔格边长1.83 mm的Nomex蜂窝为夹层结构材料。
经过DSC测试计算获得本文中树脂的固化方程为：3
模具密度为7 850 kg/m，比热容为470 J/（kg·K），导热系数为249.8 W/（m·K），对流换热系数为60W/（m·K），其他辅助材料参数见参考文献［9］。
为分析蜂窝夹芯高度和蒙皮预浸料厚度对温度分布的影响，本文分别研究了3组不同尺寸模型，具体参数如表1所示。表1 模拟中使用的蜂窝高度及蒙皮厚度Tab.1 The parameters of honeycomb height and skin thickness during the simulations
图3为固化过程两个典型时刻温度分布图。可以看到，本文所采用的方法实现了蜂窝夹层结构成型过程温度分布模拟。图3 典型时刻温度分布Fig.3 Temperature distribution at typical time
3.1 空气对流与封装材料的影响
选取第1组参数的计算结果，研究空气对流与封装材料对温度场分布的影响。
为分析结构中平面内的温度分布，选取了有代表性的平面内典型位置进行对比，选取位置如图4所示。取升温阶段t=1 500 s时上蒙皮中心层平面作为研究对象，其温度分布情况如图5所示。
由图5可以看出，在平面内，随偏离中心距离的增加，温度偏离工艺制度的程度减小，即越靠近对流换热边界的位置，其温度越接近工艺制度温度。这是因为在升温阶段，空气加热边界后使其温度升高，产生对流换热边界到中心的温度梯度，从而实现由外到内的加热；而在树脂固化反应集中放热阶段，平面内部尤其是靠近层板中心位置处，固化反应放出的热量使温度迅速提高到高于工艺制度温度，破坏了原有的温度梯度，新形成一个从中心到对流换热边界的温度梯度。两个阶段，中心与对流换热边界处交替处于温度梯度的两个最值点，也就导致如图5所示的平面内温度分布规律。图4 平面内典型位置选择示意图Fig.4 Diagram of typical positions in plane图5 平面内温度分布Fig.5 Temperature distribution in plane
考察厚度方向上不同位置的温度分布情况，如图6所示为工装内部典型位置温度随时间的变化图。
从图6中可以看出，整个体系的温度大致可以分为3个阶段，第一阶段为升温过程，因为存在体系与空气之间的对流换热，体系中的温度始终低于工艺制度温度；第二阶段是升温末段和恒温初期，此时体系中树脂的固化反应产生大量热，导致体系中的温度偏高于工艺制度温度；第三阶段是恒温后期，此时中的温度树脂的固化反应放热趋于平缓，体系中的温度基本维持在工艺制度温度附近。为进一步分析因为封装材料导致的体系温度分布变化，考察了典型位置与工艺制度温度的差值，具体如图7所示。图6 典型位置温度曲线Fig.6 The temperature curve of typical positions图7 典型位置温度偏离工艺制度温度曲线Fig.7 Temperature deviation from the process temperature of typical positions
从图7中可以更加明显地看出成型过程的3个温度阶段。除此之外，可以看出在升温阶段，因为对流换热，体系中的温度与工艺制度温度始终存在着温度差，也就是体系中的温度存在明显的滞后效应，并且因为对流换热的边界不同，这种滞后效应也存在差异。模具临近下蒙皮，两者的滞后效应维持在3℃左右；辅助材料临近上蒙皮，两者的滞后效应非常明显，并且辅助材料与上蒙皮之间还存在2～3℃的温差。与之对应，在固化反应放热的集中阶段，过热现象的规律与此类似，模具与下蒙皮因过热现象导致偏离工艺制度温度最高达到6℃左右；辅助材料与上蒙皮因过热现象导致的偏离温度差距较大，
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