A multiphysics numerical simulation of the curing process of a thermosetting polymer resin

CAPESQuality issues represent a great deal of interest in the field of fibre-reinforced composites with thermosetting polymer matrix, where such concerns are derived from matrix heterogeneity, defects (bubbles and cracks, for instance) and fibre microbuckling. These group of composite materials undergoes a complex coupled thermal, chemical and mechanical phenomenon during curing of the polymer, enhanced by the exothermal behaviour of the thermosetting chemical reaction, which can lead to important gradients of degree of cure and change of properties in the materials, more specifically in thick composites. Numerical simulations were carried out on the commercial software COMSOL Multiphysics®, based on the Finite Element Method, for the investigation of the curing process of a thick LY 556 epoxy system by considering the chemical, thermal and mechanical couplings. The curing parameters and material properties, which evolve with the curing, were thus evaluated. Experimental tests were also performed in order to obtain epoxies with different levels and degree of cure gradients, by varying the temperature and the curing time for each sample. Agreements between numerical predictions, experimental data and previous numerical results reinforce the presented model and the promising capacity of the multiphysics simulation of the epoxies curing process.As questões de qualidade representam um grande interesse no campo dos compósitos de matriz polimérica termoendurecível reforçados com fibras, onde tais preocupações são derivadas da heterogeneidade da matriz, defeitos (bolhas e trincas, por exemplo) e microflambagem das fibras. Este grupo de materiais compósitos sofre um complexo fenômeno térmico, químico e mecânico acoplado durante a cura do polímero, intensificado pelo comportamento exotérmico da reação química termoendurecível, o que pode levar a importantes gradientes do grau de cura e mudança de propriedades nos materiais, mais especificamente em compósitos espessos. Foram realizadas simulações numéricas no software comercial COMSOL Multiphysics®, baseado no Método dos Elementos Finitos, para a investigação do processo de cura de um sistema epóxi LY 556 espesso considerando os acoplamentos químicos, térmicos e mecânicos. Os parâmetros de cura e propriedades do material, que evoluem com a cura, foram assim avaliados. Ensaios experimentais para obter epóxis com diferentes níveis e gradientes de cura também foram realizados variando a temperatura e o tempo de cura para cada amostra. Concordâncias entre as previsões numéricas, dados experimentais e resultados numéricos anteriores reforçam o modelo apresentado e a capacidade promissora da simulação multifísica do processo de cura de epóxis