连续纤维增强环氧复合材料面内和厚度方向前端聚合行为研究——罗婷婷 博士
报告人简介：
罗婷婷，博士毕业于同济大学航空航天与力学学院，现任上海电机学院航空学院讲师，近年来发表复合材料相关论文10余篇。主要研究方向：复合材料设计与制造。
报告内容：
前端聚合（Frontal polymerization，FP）是一种依赖于聚合反应放热性和热传导的自维持反应。本研究深入探讨了连续纤维增强环氧基复合材料的面内和深度方向前端聚合机理。首先，分析了引发剂和稀释剂浓度对环氧树脂基体前端聚合行为的影响规律。结果显示，随着引发剂或稀释剂浓度的增加，聚合反应焓和固化动力学发生变化，环氧树脂的前端速度和前端温度均增加。然后，研究了连续碳纤维和玻璃纤维增强环氧基复合材料的前端聚合行为。结果表明，复合材料的面内前端聚合行为主要由连续纤维的导热系数和比热容决定，而深度方向前端聚合行为主要由织物孔隙和纤维导热性控制。
通过红外热像仪实时检测前端聚合过程中的温度演变历史，高温峰自发而稳定推进。
环氧树脂前端聚合实质上是一个聚合放热反应过程，涉及热力学和动力学因素，受聚合反应放热、热传导和热量转化共同控制。根据能量守恒定律，聚合反应放出的热量被一部分已固化树脂吸收，另外一部分向模具和环境散失，剩下的才能用作相邻区域树脂的固化。只有树脂吸收的热量达到活化能，聚合前端才能顺利进行，否则会发生前端淬灭。稀释剂浓度增加可以提高聚合反应焓和指前因子，未固化树脂吸收热量达到活化能的速度增加，因此，前端速度提高。而引发剂浓度增加，导致聚合反应放热速率和指前因子显著提高。
与纯树脂前端聚合相似，纤维复合材料前端聚合同样依赖于聚合反应放热。纤维织物加入后，一方面会造成树脂含量降低，聚合反应放热（Q）降低，同时纤维吸收部分能量，使得前端速度产生下降趋势。另一方面，碳纤维和玻璃纤维织物可以提高反应体系的热导率，降低比热容，使得前端传播速度产生上升趋势。这样的两种机制会形成一种竞争关系。对碳纤维，极高的导热系数使得第二种机制占主导，因此前端速度增加，而玻璃纤维略高的导热系数不足以抵消Q降低的负面影响，最终表现为前端速度的降低。此外，随着碳纤维含量的增加，逐渐由导热率影响占主导向Q降低过渡，前端速度先增加后降低。因此，复合材料面内前端聚合行为主要取决于树脂体系、纤维含量、比热容和导热系数。
通过特制模具探究复合材料厚度方向前端聚合机理，聚合前端经过明显的延迟后顺利通过玻璃纤维织物，聚合前端在碳纤维处发生淬灭。
