微膨胀系数复合材料构件铺层设计研究

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1、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章绪论1.1课题背景复合材料是由两种或多种不同性质的材料用物理或化学方法制成的具有新性能的材料。纤维增强复合材料是复合材料中的典型代表，它由基体和纤维组成，基体材料采用各种树脂或金属、非金属材料。纤维材料在复合材料中起主要作用，由它提供复合材料的刚度和强度。基体起配合作用，它支持和固定纤维材料，传递纤维间的载荷，保护纤维等。基体材料也可以改善复合材料的某些性能。如要求比重小，则选择树脂作基体材料。要求有耐高温性能，可用陶瓷作为基体材料。为得到较高的韧性和剪切强度，一般考虑用金属作为基体材料。纤维增强复合材料的最大优点

2、是比强度高和比模量高。比强度高和比模量高说明在重量相当的情形下材料的承载能力大，刚度大(变形小)。复合材料的另一特点是具有可设计性[1]。复合材料的性能除了决定于纤维和基体材料本身的性能外，还决定于纤维的含量和铺设方式。因此根据载荷条件和结构构件的形状，将复合材料内的纤维设计成适当含量并合理铺设，可以有效地发挥材料的作用。复合材料由多相材料复合而成,其宏观等效性能取决于各相材料的性能和排列方式。利用复合材料的可设计性,通过设计细观结构可实现特定性能材料设计。这种基于结构设计观点设计材料的方法已成为零膨胀材料设计的一种有效的途径。材料零膨胀性能对提高航

3、空航天结构和电子设备等的热几何稳定性有重要意义。卫星天线和电子器件等工作环境复杂，不均匀温度分布和大的温度变化可引起较大的热变形，造成信号失真；大的温度变化往往引起大的温度应力， 还会造成结构破坏。因此，零热膨胀材料的研究备受关注[2]。研制零膨胀材料的重要方法是从材料学的角度，可利用化学方法制备具有合适的原子结构的材 料。利用温度升高时原子间距离变大和原子振动引起原子间距离变小相互抵消的原理，实现材料的零热膨胀[3]。复合材料由多相材料复合而成,其宏观等效性 能取决于各相材料的性能和排列方式。通过调整复合材料的细观结构(各组分 材料性能、分布方式、

4、含量等)可改变复合材料的宏观性能。利用复合材料的 可设计性，通过设计微结构可实现特定性能材料设计。-1-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文航空航天领域有很多构件是在较宽的温度范围内工作，对于这些要求较高的结构材料，尤其是在精密要求的情况下，应该具有较高的热稳定性。这就需要选择低膨胀系数的高强度、高刚度的材料[4]。复合材料的低热膨胀系数特性，为航空航天构件零膨胀或微膨胀设计提供了必要条件[5]。新一代地球静止轨道三轴稳定气象卫星的平台结构、承力筒结构以及支架杆等要求在太空环境下具有较高的热稳定性。根据卫星结构要求比强度、比刚度高且热变形小的特点，本课题将

5、优选高性能碳纤维、Kevlar纤维与高性能树脂基体，并对层合板的铺层进行优化，以满足卫星结构的力学性能和热性能要求。项目组根据委托方提出的研究内容，首先开展了“微膨胀系数复合材料构件铺层设计研究”。主要包括三类部件需要微热膨胀设计，分别为蜂窝夹芯筒、板类结构和杆式结构。1.1课题研究的目的和意义飞行器天线长期在空间环境中工作，要求该天线在空间热环境下保持尺寸稳定性。碳纤维复合材料的比强度和比刚度高，且纤维方向线膨胀系数接近于零，是优良的卫星低膨胀构件材料[6]。宇航飞行器部件，如卫星天线、光学仪器部件、电子器件等，如果其所采用材料的热膨胀系数不能合理

6、设计，则在太空交变温度环境下，会产生较大的热变形，造成信号失真和较大的温度应力以致结构破坏。人造卫星向着太阳和背着太阳交替变化，温度由＋160℃～－150℃变化[7]，材料的线膨胀系数要求小，保持形状和尺寸的稳定性。新一代地球静止轨道三轴稳定气象卫星的平台结构有较高的双向微膨胀变形要求，优选复合材料的组分材料，并合理优化铺层设计，满足在使用工况下的微膨胀性能要求，对保证卫星的安全和提高卫星工作性能具有重要的意义。1.2国内外在该方向的研究现状及分析高性能纤维增强树脂基复合材料，具有高比强度和高比模量等优异的力学性能，因而广泛应用于制作宇航结构部件。但

7、对高性能纤维增强树脂基复合材料在交变温度场下，微膨胀系数特别是双向微膨胀层合板的组织与铺层结构设计方面的研究很少。王兴业等[8]运用经典层合板理论和混合定律对复合材料层合板单向热膨胀-2-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文性能进行了研究，并将理论计算结果与实验值进行了比较，初步说明了铺层情况对层合板热膨胀系数的影响。佟丽莉等[9]对碳纤维、玻璃纤维混杂复合材料进行了热膨胀系数计算，得出混杂复合材料层合板的热膨胀系数与缠绕角关系曲线，指出合理设计混杂铺层可以获得指定方向零膨胀系数层合板。孙志杰[7]等推导了单向混杂复合材料热膨胀系数的理论估算公式，并进行了

8、验证。并对部分零膨胀单向混杂复合材料铺层进行了预测。Teters[10]、HyerM.W.[11]以及郭际[