复合材料的热学行为课件.ppt

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1、6.复合材料的热学行为复合材料的热行为随使用强度的变化而敏感地变化。这主要有以下2个原因。首先：受到负荷的基体是温度敏感性的材料；其次是由于构成复合材料各相之间的热膨胀系数不同而引起复合材料内应力的发生。该应力对复合材料的热膨胀特征有大的影响。进而在成形工序的最终阶段。复合材料一般总是高温冷却，该温度的变化也在复合材料内引起大的应力。伴随着温度变动的内部应力的变化，是复合材料的本质特征。对负荷应力的响应也有大的影响。蠕变行为，特别是在热循环中更容易受到这样的影响。而且，由于在各种应用领域及成形工序中，也会受到某些热流的影响，所以复合材料的热传导

2、性也是重要的。6.0耐热材料复合材料的特征之一：耐热性耐热材料：“在高温下化学稳定，强度下降得少的材料”高温环境下发生在室温不会发生的新问题温度差或者温度梯度所产生的热应力均质材料：无复合材料：异相之间的热膨胀系数差异在有温度差时就会发生热应力。该应力与温度差大体成正比热应力产生的因素组成复合材料的异相间热膨胀系数差异高温制备后冷却到室温材料内部残留有应力服役过程中外界温度的变化热冲击当温度急剧变化时，物体的外部温度很快变化，而内部尚未来得及变化，这样由于内外热膨胀的差异所产生内部应力受到因温度急剧变化而引起的热冲击时，在形成拉应力的场所可能会

3、使裂纹扩展，甚至材料破坏。6.1热膨胀基体与强化材料的热膨胀系数与温度的关系涉及到高分子材料，金属材料等宽的范围。纤维与基体的热膨胀系数差一般很大。而复合材料的制备与成形通常需要高温。所以复合材料的内部会周围温度的变化而发生高的热应力。而且，高分子基复合材料的基体冷却过程中发生大的收缩，也会产生热应力。即使在高温下是无应力状态，由于纤维与基体的热膨胀系数的差异，可以预想在低温下会发生热应力。就是说，由两相的膨胀与收缩的不同而形成应变。这样的应变由△α△T所决定，这里△T=Test-T0（周围温度）。α是热膨胀系数。如果用下标m.f分别表示基体与

4、纤维，则△α=αm-αf。对复合材料内部的应力进行分析求解作为最简单的问题，可以考虑无限大的基体中仅在一个球形强化体的情况。基体中这样的应力状态与半径为a的球形气泡在压力P作用下的情况相同。对基体内半径方向（径向）与切线方向（轴向）的应力进行了分析。由热变形应变△α△T所引起的球形颗粒内的压力P,G、ν、K分别是剪切弹性模量，泊松比与体积弹性模量。下标P、m分别表示颗粒与基体。（a）SiC/Ti复合材料经500K冷却后的弹性应力状态；（b）假定基体的屈服强度为100MPa时塑性流动后的应力状态（无加工硬化）热膨胀伴随温度变化的应力分析，是通过材

5、料的热膨胀系数而进行的。这样的热应力伴随着应变会影响材料的尺寸，对其进行计算能够推测。通过内部应力所引起的长度变化，加上基体的热膨胀，可以求出复合材料的热膨胀。根据这样的简单的考虑方法，能够大概求出复合材料的热膨胀系数。例如基体中含有空隙的多孔复合材料，在温度上升时，内部不产生应力。这是由于空隙的刚性为0。所以，空隙的存在不影响材料的热膨胀系数。由于层板模型必须满足轴向的应力平衡，所以这里所得到的结果。对于长纤维复合材料的轴向性能是适用的。但是，由于未考虑泊松比，所以其结果还是不够严密的。横向的热膨胀，短纤维，颗粒强化复合材料的热膨胀其应力与应

6、变因各自的位置而不同。所以其精确的解析式十分复杂。但是对纤维强化复合材料的横向热膨胀，也进行了一些有用的近似分析。其精确的解析式十分复杂。但是对纤维强化复合材料的横向热膨胀，也进行了一些有用的近似分析。玻璃纤维及颗粒强化材料/环氧树脂复合材料的热膨胀系数与纤维含量的关系在轴向受到压缩，由泊松比而在横向发生伸长。所以由于纤维的存在，即使是低的体积分数，也可能对热膨胀系数有大的影响。定向强化材料的热膨胀复合材料的温度变化时，材料内部产生大的应力。这样即使是不在高温（或低温）下使用。由于通常的使用温度也含有几十度的温度范围的变化。所以伴随温度变化所产

7、生的应力也必须给予注意。所以研究在该温度变化下复合材料的行为，在实用上也是非常重要的。复合材料即使是在非弹性状态下，也会对其内部应力产生响应。例如在长度的测量中，复合材料中发现了伴随着热应力的滞后现象（加热状态与冷却状态下其变形不同）。基体的应力最初如A点所示，受到拉伸残余应力（屈服应力）。但是伴随着加热该应力下降，变为压缩应力，到达屈服点B。此时基体开始塑性流动，沿着屈服应力线图到达C点。而且，在冷却过程中，基体的应力又变为拉伸应力。线性增大直到拉伸屈服点D。到达屈服应力后，沿拉伸屈服应力线图到达A点。Al-3Mg/30%SiC长纤维强化复合

8、材料的（a）热循环中的应变履历；（b）基体中轴向应力的下降。由热循环的晶格应变的中子衍射法，对Al基体中配列5%SiC晶须的复合材料的测定结果：（a）