复合材料近零膨胀研究

李 军

(哈尔滨玻璃钢研究院，哈尔滨 150036)

复合材料近零膨胀研究

李 军

(哈尔滨玻璃钢研究院，哈尔滨 150036)

本文研究了铺层对复合材料热膨胀性能的影响。针对3种优化典型铺层，通过理论计算、有限元分析及试验检测对比，得出复合材料的热膨胀系数及模量与复合材料铺层关系的综合设计方法。希望对复合材料的铺层设计指导。

近零膨胀；复合材料铺层；模量；复合材料

1 引 言

材料的热膨胀是尺寸稳定性的一个重要指标，相对于金属材料热膨胀系数固定而言，纤维增强复合材料的热膨胀系数随铺层的不同而变化。在一定范围内复合材料的热膨胀系数是可设计的[1-3]。

在太空环境下，飞行器承受着剧烈的温度变化，在高精度的仪器中应当尽量的避免由于温度变化引起的尺寸变化。通过复合材料的热膨胀设计可以使得材料的热膨胀系数接近于零。另外，在复合材料满足热膨胀的要求下，有时还需要具有较高的模量。这使得在复合材料的铺层设计时，需要考虑多方面因素。

2 数值仿真

2.1 计算方法

根据复合材料力学可以推导出层合板的热膨胀系数为[4]：

选取M40/TDE85单向板数据，材料参数见表1。

表1 材料参数

选用以上参数，选取3种铺层，研究铺层角的变化对热膨胀系数及模量的影响。

2.2 不同铺层对热膨胀系数的影响

2.2.1 铺层[θ,-θ]s

铺层[θ,-θ]s的热膨胀系数及模量随角度的变化如图1所示。

从图1中可以看出：复合材料热胀系数随角度的变化先减少后增加，在θ=43.81°时，层合板纵向的热膨胀系数为零，纵向的模量为21.04GPa，剪切模量为51.28GPa。在这种铺层下，层板的抗扭转性能突出，但抗弯曲和拉压性能较差。

2.2.2 铺层[θ,-θ,0°4]s

在铺层[θ,-θ]s的基础上希望复合材料纵向模量有所提高，引入0°铺层，铺层变为[θ,-θ,0°4]s。铺层[θ,-θ,0°4]s的热膨胀系数及模量随铺层角度的变化如图2所示。

从图2中可以看出：复合材料热胀系数随角度的变化先减少后增加，在θ=67.63°时，层合板纵向的热膨胀系数为零，纵向的模量为137.2GPa，剪切模量为13.0GPa。与图1相比，热膨胀系数的变化范围变小，纵向模量的数值大幅度增加，剪切模量

下降很多。增加纵向铺层有助于纵向模量的提高。

2.2.3 铺层[θ,-θ,0°6]s

继续增加0°铺层变为[θ,-θ,0°6]s，铺层[θ,-θ,0°6]s的热膨胀系数及模量随角度的变化如图3所示。

从图3中可以看出：复合材料热胀系数随角度的变化先减少后增加，在θ=77.76°时，层合板纵向的热膨胀系数为零，纵向的模量为153.2GPa，剪切模量为7.37GPa。与图1、图2相比，热膨胀系数的变化范围继续变小，纵向模量的数值继续增加，剪切模量继续下降。纵向铺层的继续增加有助于纵向模量的提高。

3 有限元计算

在实际的使用中，有时要求有较高的纵向模量且复合材料结构件有时与金属件联合使用，由于金属材料的热膨胀系数为正，在与金属件一起使用时希望复合材料的热膨胀系数为负。在以上分析的基础上根据工艺需求，本文设计了2种铺层，且要求2种铺层具有较好的纵向模量以及热膨胀系数接近于零甚至为负。

铺层1 ：[±15°/0°]4/90°/[±15°/0°]2/ 90°；

铺层2 ：[±20°/0°2]4/±20°/0°/90°；

通过仿真计算可得：铺层1的纵向热膨胀系数为-4.7×10-7，纵向模量为164.7GPa，剪切模量为12.3GPa。

铺层2的纵向热膨胀系数为-8.8×10-7，纵向模量为164.2GPa，剪切模量为14.9GPa。

通过有限元软件Ansys对2种铺层进行有限元分析。

在热膨胀系数计算中，建立半径为1m，高1m的圆柱筒，一端固定，升温100℃，通过计算可得材料的热膨胀系数。

在模量计算中，建立半径为17mm，高为1m的圆柱筒，一端固定，另一端施加100kN的拉力，通过计算可得材料的纵向模量。

铺层1：

通过有限元计算可得：铺层1的纵向热膨胀系数为-4.7×10-7，纵向模量为164.5GPa。

铺层2：

铺层2的纵向热膨胀系数为-8.5×10-7，纵向模量为163.7GPa。

4 试验测试

拉伸试验过程：拉伸试验分级载荷△P为4 kN每级，共5级，分别记录对应的产品应变△ε，加至20 kN后如试件未发生破坏则停止试验；

4．1 拉伸试验结果

所有管件拉伸最大载荷加到20 kN后，都没有发生脱落破坏，拉伸模量结果见表2。

表2 拉伸模量测试结果

4.2 热膨胀系数试验结果

基本测量方法如下：当试样处于某温度稳定状态，对试样施加热功率，通过热电偶温度信号控制控温铜管加热，其温度变化到另一稳定温度，温度变化为T2-T1=ΔT，管件试样长度相应发生变化，从长度L1变化到L2，长度变化了L1-L2=ΔL长度变化通过试样顶动石英杆传递到千分表测量出来，温度变化由温度计测出。以室温下长度L0为基准，按照线性热膨胀系数的定义，在某一温区内，试样的平均线性热膨胀系数由式(2)计算出来：

α=ΔL/(L0ΔT)

表3 热膨胀系数对比

5 结 语

通过对不同角度的纤维热膨胀性能的理论计算，选出适合于工程应用的低膨胀系数高模量的铺层管体，并应用有限元计算及试验验证。希望对近零膨胀及轴向高模量的管体的研制和应用起到指导作用。

[1] 沃西源.国外先进复合材料发展及其在卫星结构中的应用[J].航天返回与遥感,1994,15(3):53-62.

[2] 胡昭雄.高刚度、零膨胀系数碳环氧管的设计、制造和试验[J].宇航材料工艺,1985(1)：36-39.

[3] 刘兵山,燕瑛,田金梅.纤维增强对称层合复合材料的宏观热膨胀系数研究[J].强度与环境,2008,35(5): 17-23.

[4] 张汝光.复合材料热膨胀系数的计算[J].玻璃钢,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)

李军(1982-)，男，黑龙江人，博士，工程师。研究方向：复合材料结构分析。E-mail：y8a82000@163.com.