李 軍

(哈爾濱玻璃鋼研究院，哈爾濱 150036)

復(fù)合材料近零膨脹研究

李 軍

(哈爾濱玻璃鋼研究院，哈爾濱 150036)

本文研究了鋪層對(duì)復(fù)合材料熱膨脹性能的影響。針對(duì)3種優(yōu)化典型鋪層，通過理論計(jì)算、有限元分析及試驗(yàn)檢測(cè)對(duì)比，得出復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)及模量與復(fù)合材料鋪層關(guān)系的綜合設(shè)計(jì)方法。希望對(duì)復(fù)合材料的鋪層設(shè)計(jì)指導(dǎo)。

近零膨脹；復(fù)合材料鋪層；模量；復(fù)合材料

1 引 言

材料的熱膨脹是尺寸穩(wěn)定性的一個(gè)重要指標(biāo)，相對(duì)于金屬材料熱膨脹系數(shù)固定而言，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)隨鋪層的不同而變化。在一定范圍內(nèi)復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)是可設(shè)計(jì)的[1-3]。

在太空環(huán)境下，飛行器承受著劇烈的溫度變化，在高精度的儀器中應(yīng)當(dāng)盡量的避免由于溫度變化引起的尺寸變化。通過復(fù)合材料的熱膨脹設(shè)計(jì)可以使得材料的熱膨脹系數(shù)接近于零。另外，在復(fù)合材料滿足熱膨脹的要求下，有時(shí)還需要具有較高的模量。這使得在復(fù)合材料的鋪層設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮多方面因素。

2 數(shù)值仿真

2.1 計(jì)算方法

根據(jù)復(fù)合材料力學(xué)可以推導(dǎo)出層合板的熱膨脹系數(shù)為[4]：

選取M40/TDE85單向板數(shù)據(jù)，材料參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)

選用以上參數(shù)，選取3種鋪層，研究鋪層角的變化對(duì)熱膨脹系數(shù)及模量的影響。

2.2 不同鋪層對(duì)熱膨脹系數(shù)的影響

2.2.1 鋪層[θ,-θ]s

鋪層[θ,-θ]s的熱膨脹系數(shù)及模量隨角度的變化如圖1所示。

從圖1中可以看出：復(fù)合材料熱脹系數(shù)隨角度的變化先減少后增加，在θ=43.81°時(shí)，層合板縱向的熱膨脹系數(shù)為零，縱向的模量為21.04GPa，剪切模量為51.28GPa。在這種鋪層下，層板的抗扭轉(zhuǎn)性能突出，但抗彎曲和拉壓性能較差。

2.2.2 鋪層[θ,-θ,0°4]s

在鋪層[θ,-θ]s的基礎(chǔ)上希望復(fù)合材料縱向模量有所提高，引入0°鋪層，鋪層變?yōu)閇θ,-θ,0°4]s。鋪層[θ,-θ,0°4]s的熱膨脹系數(shù)及模量隨鋪層角度的變化如圖2所示。

從圖2中可以看出：復(fù)合材料熱脹系數(shù)隨角度的變化先減少后增加，在θ=67.63°時(shí)，層合板縱向的熱膨脹系數(shù)為零，縱向的模量為137.2GPa，剪切模量為13.0GPa。與圖1相比，熱膨脹系數(shù)的變化范圍變小，縱向模量的數(shù)值大幅度增加，剪切模量

下降很多。增加縱向鋪層有助于縱向模量的提高。

2.2.3 鋪層[θ,-θ,0°6]s

繼續(xù)增加0°鋪層變?yōu)閇θ,-θ,0°6]s，鋪層[θ,-θ,0°6]s的熱膨脹系數(shù)及模量隨角度的變化如圖3所示。

從圖3中可以看出：復(fù)合材料熱脹系數(shù)隨角度的變化先減少后增加，在θ=77.76°時(shí)，層合板縱向的熱膨脹系數(shù)為零，縱向的模量為153.2GPa，剪切模量為7.37GPa。與圖1、圖2相比，熱膨脹系數(shù)的變化范圍繼續(xù)變小，縱向模量的數(shù)值繼續(xù)增加，剪切模量繼續(xù)下降。縱向鋪層的繼續(xù)增加有助于縱向模量的提高。

3 有限元計(jì)算

在實(shí)際的使用中，有時(shí)要求有較高的縱向模量且復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件有時(shí)與金屬件聯(lián)合使用，由于金屬材料的熱膨脹系數(shù)為正，在與金屬件一起使用時(shí)希望復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)為負(fù)。在以上分析的基礎(chǔ)上根據(jù)工藝需求，本文設(shè)計(jì)了2種鋪層，且要求2種鋪層具有較好的縱向模量以及熱膨脹系數(shù)接近于零甚至為負(fù)。

鋪層1 ：[±15°/0°]4/90°/[±15°/0°]2/ 90°；

鋪層2 ：[±20°/0°2]4/±20°/0°/90°；

通過仿真計(jì)算可得：鋪層1的縱向熱膨脹系數(shù)為-4.7×10-7，縱向模量為164.7GPa，剪切模量為12.3GPa。

鋪層2的縱向熱膨脹系數(shù)為-8.8×10-7，縱向模量為164.2GPa，剪切模量為14.9GPa。

通過有限元軟件Ansys對(duì)2種鋪層進(jìn)行有限元分析。

在熱膨脹系數(shù)計(jì)算中，建立半徑為1m，高1m的圓柱筒，一端固定，升溫100℃，通過計(jì)算可得材料的熱膨脹系數(shù)。

在模量計(jì)算中，建立半徑為17mm，高為1m的圓柱筒，一端固定，另一端施加100kN的拉力，通過計(jì)算可得材料的縱向模量。

鋪層1：

通過有限元計(jì)算可得：鋪層1的縱向熱膨脹系數(shù)為-4.7×10-7，縱向模量為164.5GPa。

鋪層2：

鋪層2的縱向熱膨脹系數(shù)為-8.5×10-7，縱向模量為163.7GPa。

4 試驗(yàn)測(cè)試

拉伸試驗(yàn)過程：拉伸試驗(yàn)分級(jí)載荷△P為4 kN每級(jí)，共5級(jí)，分別記錄對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品應(yīng)變△ε，加至20 kN后如試件未發(fā)生破壞則停止試驗(yàn)；

4．1 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

所有管件拉伸最大載荷加到20 kN后，都沒有發(fā)生脫落破壞，拉伸模量結(jié)果見表2。

表2 拉伸模量測(cè)試結(jié)果

4.2 熱膨脹系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

基本測(cè)量方法如下：當(dāng)試樣處于某溫度穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)試樣施加熱功率，通過熱電偶溫度信號(hào)控制控溫銅管加熱，其溫度變化到另一穩(wěn)定溫度，溫度變化為T2-T1=ΔT，管件試樣長度相應(yīng)發(fā)生變化，從長度L1變化到L2，長度變化了L1-L2=ΔL長度變化通過試樣頂動(dòng)石英桿傳遞到千分表測(cè)量出來，溫度變化由溫度計(jì)測(cè)出。以室溫下長度L0為基準(zhǔn)，按照線性熱膨脹系數(shù)的定義，在某一溫區(qū)內(nèi)，試樣的平均線性熱膨脹系數(shù)由式(2)計(jì)算出來：

α=ΔL/(L0ΔT)

表3 熱膨脹系數(shù)對(duì)比

5 結(jié) 語

通過對(duì)不同角度的纖維熱膨脹性能的理論計(jì)算，選出適合于工程應(yīng)用的低膨脹系數(shù)高模量的鋪層管體，并應(yīng)用有限元計(jì)算及試驗(yàn)驗(yàn)證。希望對(duì)近零膨脹及軸向高模量的管體的研制和應(yīng)用起到指導(dǎo)作用。

[1] 沃西源.國外先進(jìn)復(fù)合材料發(fā)展及其在衛(wèi)星結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用[J].航天返回與遙感,1994,15(3):53-62.

[2] 胡昭雄.高剛度、零膨脹系數(shù)碳環(huán)氧管的設(shè)計(jì)、制造和試驗(yàn)[J].宇航材料工藝,1985(1)：36-39.

[3] 劉兵山,燕瑛,田金梅.纖維增強(qiáng)對(duì)稱層合復(fù)合材料的宏觀熱膨脹系數(shù)研究[J].強(qiáng)度與環(huán)境,2008,35(5): 17-23.

[4] 張汝光.復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)的計(jì)算[J].玻璃鋼,1998(4): 1-8.

Study on Near-Zero Thermal Expansion of Composite Material

LI Jun

(Harbin FRP Institute,Harbin 150036)

Thermal expansion of composite material by layer was studied.Three typical layer was optimization,Thermal expansion of composite material and modulus by composite material layer was studied and compare by finite element and experiment.The research results may provide some references for the design of thermal expansion of composite material layer.

near-zero coefficient of thermal expansion；composite material layer; modulus；composite material

2014-11-29)

李軍(1982-)，男，黑龍江人，博士，工程師。研究方向：復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析。E-mail：y8a82000@163.com.