第六章复合材料层合板的湿热效应

复合材料结构经常要在较高温度下使用，如高速飞行时的复合材料机翼翼面，在气动加热下表面温度会达到100℃以上；航空和航天器发动机复合材料构件要求承受更高的工作温度。另外，复合材料层合板或层合结构的成形温度都比较高，如高温固化的树脂基复合材料层合板，固化温度达177℃。复合材料结构除了在高温环境下使用之外，还有可能处于湿度很高的环境。对于树脂基复合材料层合板，温度的升高和吸入水分都会导致基体的膨胀和性能下降，使层合板产生湿热变形和性能下降。另外，纤维增强树脂复合材料单层的力学性能是各向异性的，其热膨胀性能和湿膨胀性能也是各向异性的。由于层合板各单层的湿热变形不一致，而单层之间又是黏结在一起的，限制了各单层的自由变形，因此在各单层中还会产生残余应力和残余应变。残余应力和残余应变的存在显然会影响到层合板的强度。湿热对树脂基复合材料基本力学性能以及对层合板强度和刚度的影响也称为湿热效应，这也是树脂基体复合材料层合板特有的重要特性。本章主要介绍湿热对树脂基复合材料力学性能的影响以及考虑湿热影响的层合板刚度和强度分析方法。第6章复合材料层合板的湿热效应高温尤其是湿热联合作用对树脂基复合材料力学性能的影响是显著的。树脂基体在高温下，特别是吸入一定水分的基体在高温下的性能有明显下降，因而导致复合材料单层力学性能中由基体性能控制的横向模量和强度、剪切模量和强度下降。图6.1和图6.2给出了典型碳纤维增强环氧树脂基复合材料单层在22℃，60℃和128℃三种温度和干燥条件下的横向拉伸和面内剪切应力—应变曲线。可以看到随着温度的升高，该材料的横向模量和剪切模量明显下降，横向拉伸强度下降较小，剪切强度在128℃时下降显著。6.1湿热对单层力学性能的影响图6.1碳纤维增强环氧单层横向拉伸应力—应变曲线图6.2碳纤维增强环氧单层面内剪切应力—应变曲线图6.3给出了典型碳纤维增强环氧树脂基复合材料单层在常温干燥和常温吸湿1%下以及在高温（90℃）、干燥和吸湿1%下的面向剪切应力—应变曲线。可以看到吸湿1%后的材料在高温下的面内剪切模量和强度均有大幅度的下降。这一实验结果表明，在树脂基复合材料的刚度和强度分析中必须考虑湿热的影响。图6.3碳纤维增强环氧单层的面内剪切应力—应变曲线取一单位长度的单层，如图6.4所示。当温度由T0变为T时，单层材料主方向的热自由线应变为和。由于单层在材料主方向具有正交各向异性，所以热剪切应变。这里用符号e表示自由应变以区别于由力引起的应变符号。令T=T-T0，T0为初始状态温度，由热膨胀系数的定义，可以得到单层材料主方向的热膨胀系数为：6.2单层的湿热变形单层的湿热变形是指单层在无外载荷状态下因为温度变化和吸入水分引起的热膨胀和湿膨胀的自由变形。一、热膨胀变形TLeTTe0TLTe0LTTTTTLLTeTe热膨胀系数的单位是1/C°或1/K（K是绝对温度的单位）。（6.1）单层材料主方向热自由应变为（6.2）TeeeTLTLTTTTL0材料HT3/5224HT3/QY8911热膨胀系数L/（10–6/K）0.310.27T/（10–6/K）31.3表6.1典型碳纤维复合材料单层的膨胀系数注：T（K）=t(℃)+273复合材料的固化温度一般都高于使用温度，T=T-T00，所以，当单层的热膨胀系数为正值时，使用温度下的单层产生收缩变形。表6.1给出了典型碳纤维复合材料单层主方向的热膨胀系数。可以看到横向热膨胀系数比纵向的高两个数量级，这是因为单层横向热膨胀系数是由基体性能控制的缘故。（6.4）单层非材料主方向的热自由应变可以由应变转换关系式（3.19）得到，即TnmmnmnmnmnmnnmeeTeeeTLTTTLTxyTyTx0220212222221（6.3）假设单层非材料主方向的热自由应变又可以表示为TeeexyyxTxyTyTx2121式中，x，y和xy为单层非材料主方向的热膨胀系数。则有022222222222TLxyyxnmmnmnmnmnmnnm）（（6.5）TLyxT,1,(3.19)二、湿膨胀变形单层吸入水分后质量的增量和干燥状态下的质量之比称为单层的吸湿量，用符号c表示，（6.6）%100mmc式中，m为单层干燥状态的质量，m为吸湿后的质量增量。单层吸湿后材料主方向的湿自由应变为HLe和HTe，0HLTe，湿膨胀系数定义为:0LTHTTHLLcece所以单层材料主方向的湿自由应变为:ceeeTLHLTHTHL0和单层的材料方向的L和T类似，其横向湿膨胀系数T远大于L，一般碳纤维增强环氧的L接近于零，T在0.5左右。（6.8）（6.7）参照单层非材料主方向热膨胀系数和热自由应变的定义方法，单层非材料主方向的湿膨胀系数为022222222TLxyyxnmmnmnmnmnmnnm（6.9）湿自由应变为ceeexyyxHxyHyHx（6.10）6.3层合板的湿热本构关系假设层合板的温度分布和吸湿量分布是均匀的，只考虑层合板由一种平衡状态变化到另一种平衡状态时，因温度和吸湿量变化引起的湿热效应。一、单层的湿热本构关系用eL，eT和eLT表示单层材料主方向的湿热自由应变，有0LTHTTTTHLTLLeeeeeee（6.11）单层非材料主方向的湿热应变为HxyTxyxyHyTyyHxTxxeeeeeeeee（6.12）由叠加原理，总应变为力引起的应变和湿热自由应变之和，即0TLMLTMTMLLTTLee（6.13）在外加载荷和湿热的联合作用下，单层在材料主方向的本构关系为0662616262212161211TLLTTLLTTLeeSSSSSSSSS（6.14）由式（6.14）可得：LTTLLTTTLLSSSSSSSSSee662616262212161211和LTTTLLLTTLeeQQQQQQQQQ662616262212161211单层非材料主方向的总应变也为力引起的应变和湿热自由应变之和xyyxMxyMyMxxyyxeee（6.17）本构关系为xyyxxyxyyyxxSSSSSSSSSeee662616262212161211和xyxyyyxxxyyxeeeQQQQQQQQQ662616262212161211（6.18）（6.19）二、层合板的湿热本构关系对于多向层合板，由式（6.17）（4.12）将式（6.21）代入式（4.18）和式（4.25）可得层合板内合力为：nkhhHTyxyxyxkyxyxyxkyxnkhhkyxyxkkkkNBAdzezQdzN1,,0,,,0,,1,,11（6.22）式中，HTyxN,是等效湿热力矢量，也可以表示为,,,,yxMyxyxe（6.17）yxyxyxz,0,,yxyxMyxe,,,和式（4.12）可知，第k层由力引起的应变为即湿热自由应变ex,y的力学面内应变时，所需要的等效面内力矢量。式中，1kkkhht，为单层厚度，HTyxN,表示使层合板产生相当于kyxyxyxMkyxez,,0,,（6.20）nkkkxyyxkHTxyHTyHTxteeeQQQQQQQQQNNN1666261262221161211（6.23）应力为kyxkyxyxkyxyxkyxkyxeQQzQ,,,,0,,,（6.21）nkhhkyxyxkkdzN1,,1（4.18）x,y0x,yx,yΒkAεN(4.25)将式（6.21）代入式（4.19）和式（4.26）可得层合板的内力矩为HTyxyxyxnkhhkyxyxyxkyxnkhhkyxyxMDBzdzezQzdzMkkkk,,0,1,,0,,1,,11（6.24）式中，HTyxM,是等效湿热内力矩矢量，也可以表示为nkkkkxyyxkHTxyHTyHTxzteeeQQQQQQQQQMMM1666261262221161211式中，121kkkhhz即第k层中央的z坐标。HTyxM,表示使层合板产生相当于湿热自由应变的弯曲和扭转应变时所需要的等效力矩矢量。（6.21）（6.25）x,y0x,yx,yDkBεM(4.26)kyxkyxyxkyxyxkyxkyxeQQzQ,,,,0,,,zdzMMMkxyyxnkhhxyyxkk11（4.19）由式（6.22）（6.24）yxyxHTyxyxyxBANNN,0,,,,yxyxHTyxyxyxDBMMM,0,,,,（6.26）（6.27）总内力为力学内力和等效湿热内力之和，总内力矩为力学内力矩和等效湿热内力矩之和。将式（6.26）和式（6.27）联立可以写为:0DBBAMN（6.28）这是和式（4.29）完全类似的形式，不同之处是式（6.28）中的内力和内力矩中包含了力学分量和等效湿热分量。也可以将式（6.28）表示为变形—内力关系：MNdcba0式中，a，b，c和d矩阵，可以由式（4.31）和式（4.32）得到。从式（6.28）和式（6.29）可以看出，湿热效应只是相当于在层合板的作用力上附加等效湿热内力和内力矩。（6.29）HTyxyxyxnkhhkyxyxyxkyxnkhhkyxyxNBAdzezQdzNkkkk,,0,1,,0,,1,,11（6.22）HTyxyxyxnkhhkyxyxyxkyxnkhhkyxyxMDBzdzezQzdzMkkkk,,0,1,,0,,1,,11（6.24）可得层合板总内力、总内力矩和中面应变、曲率的关系:HTyxN,是等效湿热力矢量，HTyxM,是等效湿热内力矩矢量。当层合板的湿度变化T和吸湿量c已知时，就可以利用式（6.23）、（6.25）HTyxN,和等效湿热内力矩HTyxM,来。，HTxyHTyHTxHTxyHTyHTxxyyxMMMbbbbbbbbbNNNaaaaaaaaa666261262221161211666261262221161211000（6.30）