復合材料近零膨脹研究

李 軍

(哈爾濱玻璃鋼研究院，哈爾濱 150036)

復合材料近零膨脹研究

李 軍

(哈爾濱玻璃鋼研究院，哈爾濱 150036)

本文研究了鋪層對復合材料熱膨脹性能的影響。針對3種優化典型鋪層，通過理論計算、有限元分析及試驗檢測對比，得出復合材料的熱膨脹系數及模量與復合材料鋪層關系的綜合設計方法。希望對復合材料的鋪層設計指導。

近零膨脹；復合材料鋪層；模量；復合材料

1 引 言

材料的熱膨脹是尺寸穩定性的一個重要指標，相對于金屬材料熱膨脹系數固定而言，纖維增強復合材料的熱膨脹系數隨鋪層的不同而變化。在一定范圍內復合材料的熱膨脹系數是可設計的[1-3]。

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

2 數值仿真

2.1 計算方法

根據復合材料力學可以推導出層合板的熱膨脹系數為[4]：

選取M40/TDE85單向板數據，材料參數見表1。

表1 材料參數

選用以上參數，選取3種鋪層，研究鋪層角的變化對熱膨脹系數及模量的影響。

2.2 不同鋪層對熱膨脹系數的影響

2.2.1 鋪層[θ,-θ]s

鋪層[θ,-θ]s的熱膨脹系數及模量隨角度的變化如圖1所示。

從圖1中可以看出：復合材料熱脹系數隨角度的變化先減少后增加，在θ=43.81°時，層合板縱向的熱膨脹系數為零，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的基礎上希望復合材料縱向模量有所提高，引入0°鋪層，鋪層變為[θ,-θ,0°4]s。鋪層[θ,-θ,0°4]s的熱膨脹系數及模量隨鋪層角度的變化如圖2所示。

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

繼續增加0°鋪層變為[θ,-θ,0°6]s，鋪層[θ,-θ,0°6]s的熱膨脹系數及模量隨角度的變化如圖3所示。

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

3 有限元計算

在實際的使用中，有時要求有較高的縱向模量且復合材料結構件有時與金屬件聯合使用，由于金屬材料的熱膨脹系數為正，在與金屬件一起使用時希望復合材料的熱膨脹系數為負。在以上分析的基礎上根據工藝需求，本文設計了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接近于零甚至為負。

鋪層1 ：[±15°/0°]4/90°/[±15°/0°]2/ 90°；

鋪層2 ：[±20°/0°2]4/±20°/0°/90°；

通過仿真計算可得：鋪層1的縱向熱膨脹系數為-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2種鋪層進行有限元分析。

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

在模量計算中，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，通過計算可得材料的縱向模量。

鋪層1：

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

鋪層2：

鋪層2的縱向熱膨脹系數為-8.5×10-7，縱向模量為163.7GPa。

4 試驗測試

拉伸試驗過程：拉伸試驗分級載荷△P為4 kN每級，共5級，分別記錄對應的產品應變△ε，加至20 kN后如試件未發生破壞則停止試驗；

4．1 拉伸試驗結果

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

表2 拉伸模量測試結果

4.2 熱膨脹系數試驗結果

基本測量方法如下：當試樣處于某溫度穩定狀態，對試樣施加熱功率，通過熱電偶溫度信號控制控溫銅管加熱，其溫度變化到另一穩定溫度，溫度變化為T2-T1=ΔT，管件試樣長度相應發生變化，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石英桿傳遞到千分表測量出來，溫度變化由溫度計測出。以室溫下長度L0為基準，按照線性熱膨脹系數的定義，在某一溫區內，試樣的平均線性熱膨脹系數由式(2)計算出來：

α=ΔL/(L0ΔT)

表3 熱膨脹系數對比

5 結 語

通過對不同角度的纖維熱膨脹性能的理論計算，選出適合于工程應用的低膨脹系數高模量的鋪層管體，并應用有限元計算及試驗驗證。希望對近零膨脹及軸向高模量的管體的研制和應用起到指導作用。

[1] 沃西源.國外先進復合材料發展及其在衛星結構中的應用[J].航天返回與遙感,1994,15(3):53-62.

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

[3] 劉兵山,燕瑛,田金梅.纖維增強對稱層合復合材料的宏觀熱膨脹系數研究[J].強度與環境,2008,35(5): 17-23.

[4] 張汝光.復合材料熱膨脹系數的計算[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：復合材料結構分析。E-mail：y8a82000@163.com.