[论文解读] Experimental determination and modelling of volume shrinkage in curing thermosets

Martin Rudolph, Martin Stockmann+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2014

Epoxy Resin Curing Processes参考文献 13被引用 5

一句话总结

本研究提出了一种基于阿基米德原理的新型实时实验装置，用于测量环氧基热固性树脂固化过程中的体积收缩。通过结合应变片与电容式传感器并进行环境补偿，该方法能够精确、同步检测绝对密度及微小的热化学体积变化，其有效性通过固化动力学与收缩行为的表观模型得到验证，关键参数通过非线性优化方法确定。

ABSTRACT

This work deals with the characterisation and modelling of the curing process and its associated volume changes of an epoxy based thermoset resin. Measurements from differential scanning calorimetry (DSC) define the progress of the chemical reaction. The related thermochemical volume changes are recorded by an especially constructed experimental setup based on Archimedes principle. Information on measuring procedure and data processing are provided. This includes investigations on compensation of environmental influences, long-term stability and resolution. With the aim of simulating the adhesives curing process, constitutive models representing the reaction kinetics and thermochemical volume changes are presented and the model parameters are identified.

研究动机与目标

• 开发一种用于测量热固性胶粘剂固化过程中体积与密度变化的实时、高分辨率方法。
• 解决在液态到固态转变材料中准确捕捉微小热化学诱导体积变化的挑战。
• 利用差示扫描量热法（DSC）数据对固化过程进行建模，并建立体积收缩的本构模型。
• 将实验测量结果与反应动力学及各向同性体积变化的表观模型进行验证。
• 实现轻质复合材料制造中固化诱导变形与残余应力的精确模拟。

提出的方法

• 设计了一套基于阿基米德原理的实验装置，用于测量固化过程中的浮力变化。
• 结合两种传感器系统——应变片与电容式传感器——以高分辨率同时测量绝对体积与微小体积变化。
• 通过使用模拟信号对环境影响进行补偿，确保测量稳定性。
• 在多个温度水平下对系统进行了校准，并测试了其长期稳定性、分辨率与重复性。
• 采用差示扫描量热法（DSC）测定随时间变化的转化度。
• 基于公式（15）开发了表观模型，以描述温度与固化度依赖的密度变化，参数通过非线性最小二乘优化方法确定。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何实现实时、高分辨率测量环氧基热固性树脂固化过程中的体积收缩？
• RQ2 固化度与由此产生的热化学体积变化之间存在何种关系？
• RQ3 如何在基于浮力的体积测量中有效补偿环境与机械干扰？
• RQ4 固化反应进程在多大程度上依赖于温度，这又如何影响最终的收缩量？
• RQ5 基于DSC数据，表观模型能否准确预测固化过程中密度与体积收缩的演变？

主要发现

• 实验装置实现了高分辨率与长期稳定性，能够可靠地实现实时测量微小体积变化。
• 测量得到的密度演变表现出非线性行为，这是由于高温下扩散控制所致，且在玻璃化转变温度以上，收缩在完全转化前即告停止。
• 模型参数βq（代表最大体积化学收缩）被确定为-0.053，表明存在显著的收缩潜力。
• 基于公式（15）的模拟结果在不同时间-温度制度下与实验数据高度吻合，验证了模型的预测能力。
• 应变片与电容式传感器的结合实现了对绝对密度与微小变化的同步检测，显著提升了测量精度。
• 使用模拟信号进行环境补偿显著提高了测量可靠性并减少了漂移。