¿Cómo afecta el gradiente térmico a través del espesor de una platina al perfil de curado de un laminado compuesto grueso?

Problema térmico profundo en el curado de composites espesos
Curar una losa de compuesto de fibra de carbono de varios centímetros de espesor no es como curar una piel delgada. El calor de las placas calentadas debe pasar lentamente a través de la masa del material desde las superficies hasta el núcleo durante un largo período de tiempo. Simultáneamente, el sistema de resina epoxi en el corazón del laminado comienza a reaccionar químicamente, produciendo su propio calor interno a través de una reacción exotérmica.

La combinación entre el calor de la placa suministrado externamente y el calor químico generado internamente puede provocar un aumento de temperatura sustancial y potencialmente peligroso en lo profundo del laminado. En el peor de los casos, este exceso interno podría dañar la matriz de resina, aumentar el contenido de huecos o provocar una fuga térmica localizada.

Por lo tanto, el conocimiento del comportamiento de curado del compuesto grueso con gradiente de temperatura y espesor de la platina es importante para regular la calidad de la pieza en la fabricación de compuestos avanzados.

La platina transmite una calidez reconfortante desde el exterior; el corazón de la porción es un horno ardiente escondido en su interior.

El gradiente térmico a través de laminados gruesos: su naturaleza
Calentamiento de superficie frente a retraso del núcleo
La transmisión de calor comienza en las superficies y continúa hacia adentro por conducción cuando un laminado compuesto grueso se comprime entre placas calentadas. Las capas exteriores en contacto directo con la platina responden rápidamente y alcanzan altas temperaturas al principio del ciclo.

Pero el núcleo del laminado tiene una respuesta térmica retardada porque:

Baja conductividad térmica de materiales compuestos.

La resistencia térmica aumenta con el espesor.

Transiciones de fase de resina de absorción de energía.

Restricciones de difusión de calor dependientes del tiempo-

Esto da como resultado una fuerte diferencia de temperatura a lo largo del espesor de la pieza.

El efecto aislante de las capas exteriores
A medida que el exterior se calienta, empiezan a servir como barrera térmica para el núcleo. Este aislamiento ralentiza la pérdida de calor del núcleo una vez iniciado el proceso exotérmico.

Cuando la onda térmica llega a la mitad del laminado, la resina puede estar cerca de la velocidad máxima de reacción y la generación interna de calor puede ser rápida.

Reacción exotérmica y exceso de temperatura interna
Liberación de calor químico en sistemas epoxi
El curado de la resina epoxi es un proceso químico exotérmico, es decir, se desprende calor durante la reticulación molecular. La cantidad y velocidad de esta liberación de calor se pueden cuantificar mediante calorimetría diferencial de barrido (DSC) para proporcionar datos cinéticos y de entalpía de reacción.

En laminados gruesos, esta reacción puede-reforzarse a sí misma:

La velocidad de reacción aumentó al aumentar la temperatura.

Cuanto más rápida es la reacción, más calor se genera.

El calor adicional aumenta aún más la temperatura

El circuito de retroalimentación puede generar un fuerte pico de temperatura interna.

Aislamiento térmico del núcleo
Después del inicio de la reacción exotérmica en la región del núcleo, resulta difícil eliminar el calor porque:

Capas exteriores ya a mayor temperatura.

Los gradientes de temperatura reducen el flujo de calor hacia el exterior

El compuesto limita la disipación de calor conductivo

Se prescinde del control local de la temperatura del plato.

Esto puede dar como resultado temperaturas internas decenas de grados por encima del punto de ajuste de la platina y un alto peligro de sobrecalentamiento térmico.

Control del curado mediante perfil de temperatura de la platina
La importancia de las rampas de calefacción controladas.
Para laminados gruesos, generalmente no es aceptable utilizar un curado a alta temperatura en un solo paso. En su lugar, se emplean ciclos de curado de múltiples etapas para regular la interacción entre las fuentes de calor externas e internas.

Un procedimiento normal es:

Permanencia inicial a baja temperatura (etapa de difusión)

Período de remojo intermedio (inicio de reacción controlada)

Curado final a alta temperatura (reticulación completa)

La etapa de baja temperatura permite que el calor se difunda de manera más uniforme, con menos probabilidad de que se desarrollen gradientes pronunciados antes de una reacción exotérmica sustancial.

Balance térmico en la gestión exotérmica.
El perfil de curado está diseñado para asegurar que:

La entrada de calor de las placas es lenta

La reacción de la resina no se localiza tempranamente.

Los gradientes de temperatura aún están regulados

La exotermia máxima se extiende a lo largo del tiempo.

Los ciclos diseñados correctamente hacen posible que el laminado "respire" térmicamente y eviten una acumulación repentina-de energía interna.

Papel del FEA térmico en el diseño de curado
Simulación de la Evolución de la Temperatura en el Espesor
El análisis térmico de elementos finitos (FEA) se utiliza a menudo para modelar el curado de construcciones compuestas gruesas. Las simulaciones incluyen:

Características del material en función de la temperatura.

Cinética de la reacción de la resina a partir de datos de DSC.

Cambio en la conductividad térmica durante el curado.

Calor de reacción

Condiciones límite de calentamiento de la platina

La FEA térmica resuelve las ecuaciones de transferencia de calor transitoria para determinar el historial de temperatura en cada ubicación a lo largo del espesor del laminado.

Predicción de puntos calientes y picos exotérmicos
El FEA térmico se puede utilizar para calcular:

Lugares de temperatura interna máxima

Momento de inicio del pico exotérmico

Magnitud del exceso térmico

Curar la eficacia del perfil de rampa

zonas de peligro de deterioro térmico

Esa capacidad de previsión es vital para evitar fallos interiores en sistemas compuestos gruesos.

Implicaciones prácticas para el diseño y funcionamiento de la platina
Uniformidad de las temperaturas de la platina
Los artículos gruesos pueden beneficiarse de gradientes térmicos mejorados mediante-calentamiento no uniforme de la placa. La superficie de la platina puede variar de las siguientes maneras:

Tasas de curación diferenciales.

Generación de tensiones residuales internas.

Puntos calientes localizados

Geometría distorsionada del laminado

Por lo tanto, es necesaria una homogeneidad de la temperatura de la platina altamente controlada.

Integración de Monitoreo de Procesos.
Los sistemas de curado avanzados suelen incluir:

Termopares embebidos en la laminación.

Sensores de temperatura superficial de los platos.

Sistemas de control de retroalimentación en tiempo real

Cure el registro de datos de validación

Estos sistemas contribuyen a que el comportamiento térmico modelado sea consistente con las circunstancias reales del proceso.

Conclusión
El proceso de curado de un laminado compuesto grueso está controlado por una complicada interacción entre el calor de la placa externa y el calor resultante de la reacción exotérmica interna. Puede ocurrir un exceso significativo de temperatura interna a través del espesor del laminado cuando se establecen fuertes gradientes térmicos, donde el núcleo del material se calienta significativamente más que la propia platina.

Controlar este comportamiento requiere perfiles de curado de múltiples-pasos cuidadosamente diseñados, con la ayuda de simulaciones térmicas FEA integrales que utilicen tanto la física de transferencia de calor como la cinética de reacción de la resina. Las rampas de calentamiento controladas y los modelos térmicos validados ayudan a moderar las temperaturas internas máximas para que se pueda lograr un curado uniforme y una alta integridad estructural.

Pero las estructuras compuestas más grandes y resistentes no se crean mediante calentamiento-sino controlando la propia respuesta térmica del material, el flujo de calor oculto y la reacción-latido térmico inducido.