Моделирование кинетики отверждения композиционного материала в условиях открытого космоса при высоких скоростях испарения молекул

Аннотация

В работе предлагается математическая модель для вычислительного моделирования особенностей формирования механических свойств при переходе эпоксидной смолы из состояния вязкой жидкости в твердое в процессе отверждения. Рассмотрена задача, в которой процесс перехода в деформируемое состояние осуществляется в условиях, приближенных к условиям открытого космоса. Важную роль при этом играют вакуум около поверхности материала и высокая температура, возникающая в результате нагрева материала под действием солнечного излучения. Вычислительное моделирование осуществлено до момента перехода среды из состояния вязкой жидкости в деформируемое тело. Выполнено сравнение теоретических расчетов с экспериментальными данными. В рамках предложенной модели исследуется формирование структуры материала на молекулярном уровне и вычисляется вязкость среды. Материал неоднороден. Наличие вакуума около границы материала приводит к появлению диффузионных процессов. Присутствующие в материале компоненты малой массы начинают уходить из материала в окружающий вакуум. Предложенная модель позволяет проследить во времени и по объему материала трансформацию исходных компонент малой массы в формирование из них деформируемых фрагментов с большей массой. В модели использованы параметры, имеющие конкретный физический смысл. Информация о них получена из анализа имеющихся экспериментальных данных. Эксперименты проводились в условиях лабораторного вакуума. Температура варьировалась от 20 до 80 градусов Цельсия. Численное моделирование технологического процесса осуществлялось с использованием метода конечных элементов. Материал был представлен в форме полубесконечной пластины. Одна граница пластины рассматривалась как соприкасающаяся с вакуумом. Через нее компоненты малой массы улетучивались в окружающее пространство. Граничные условия выводились из предположения о том, что испарение этих компонент происходит только в том случае, когда значение кинетической энергии диффундирующих молекул превышает величину работы, затрачиваемой на преодоление энергетического барьера. Противоположная сторона пластины рассматривалась как непроницаемая для компонентов материала.