压缩模塑工艺下不饱和聚酯树脂体系的固化动力学实验与数值分析：优化厚壁夹层复合材料制造

本研究针对厚壁夹层复合材料在压缩模塑(CM)过程中热梯度不均和固化不完全的问题，通过集成嵌入式热电偶与热成像技术，结合热-化学耦合模型，揭示了PU泡沫核心与GF面层在1.5-4.0英寸厚度下的固化动力学差异。结果表明，剪切带区域需3-5小时完成固化，而面层仅需15分钟，为优化工业制造工艺提供了量化依据。

　　

在航空航天、汽车和建筑领域，轻质高强的复合材料夹层结构正成为关键材料。这类结构通常由聚氨酯(PU)泡沫核心与玻璃纤维(GF)面层通过不饱和聚酯树脂(UPR)粘接而成，但其制造过程面临严峻挑战——当厚度超过1.5英寸时，压缩模塑(CM)工艺中热传导不均会导致核心区域固化延迟，产生界面缺陷和力学性能下降。传统试错法优化工艺耗时耗材，亟需建立精准的固化动力学预测模型。

为攻克这一难题，国外研究团队在《Polymer Testing》发表研究，创新性地将嵌入式热电偶与FLIR-A8590热成像系统联用，实时监测1.5/3.0/4.0英寸三种厚度面板在CM过程中的三维温度场。同时开发MATLAB PDE工具箱构建的热-化学耦合模型，首次量化了外部加热与树脂放热反应对固化进程的协同影响。

主要技术方法
研究采用手工铺层制备GF/UPR/PU夹层试件，在14.7psi压力下进行CM实验。通过Omega K型热电偶(精度±1.1°C)和热成像相机(30Hz采样)同步采集温度数据。基于动态/等温DSC测试获取UPR固化动力学参数，建立包含Arrhenius方程的自催化模型，通过MATLAB 2024a实现温度-固化度(DOC)耦合计算。

研究结果

温度梯度特征
热成像数据显示，1.5英寸面板的面层在12分钟内达140°C，而4.0英寸面板核心需15分钟。厚度每增加1英寸，核心温度滞后时间延长35%，证实PU泡沫的绝热效应显著阻碍热传导。

固化动力学差异
数值模拟揭示：面层DOC在15分钟内达95%以上，而3.0/4.0英寸剪切带区域DOC仅87.01%/84.14%。核心区域因放热反应出现190°C温度峰值，比设定温度(140°C)高出35.7%。

模型验证
热电偶与热成像数据的误差<5%，模型成功预测出不同厚度下DOC分布：1.5英寸面板整体DOC达91.77%，4.0英寸面板因热积累不足导致DOC降低7.63个百分点。

讨论与意义
该研究首次阐明厚壁夹层结构的"双热源"固化机制：薄面层(<0.05英寸)依赖传导加热，而厚剪切带(1.5-4.0英寸)主要靠放热反应驱动固化。提出的自适应加热策略——初期低温引发凝胶化、后期高温加速核心固化，可缩短厚板工艺周期40%以上。

这项成果为航空航天用大尺寸复合材料构件制造提供了关键理论支撑：通过精确控制放热反应与外部加热的时空匹配，可避免传统工艺中常见的"外焦里生"现象。未来工作将探索界面热阻(ITR)对多层结构的影响，进一步提升模型在复杂构件中的预测精度。