复合材料层合残余应力实验研究.pdf

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1、 北 京 航 空 航 天 大 学 学 报 J o u r n a l o f B e i j i n S Un i v e r s i t y o f Ae r o n a u t i cs a n d As t r o n a u t i c s 1 9 9 0年第 3期 N 9 3 1 9 9 0 复合材料层合残余应力实验研究 宋焕成 李建新(材料科学与工程系)摘要；取单 向板 9 0。试样用 DMA 法测 出的玻璃化 温度 为应力释放 温度，用 应 麦片包 埋 法测定 了玻 纤 6 4 8环氧复合材料 单 向试样与对称 正交层板 的热应 变，用 经典 层板理论处 理实验结果，实 验值 与

2、理论值 吻合|结果还表 明，一般意义上 的复合 材料 内的层合残余应力 与制造 过程 中复台材 料 内的残余应 力应 作 区别。关键 词：残余应 变，残余应力，复台 材料，层压板。0 前言 残余应力是复合 材料 的固有特性，它 与材 料的组分、结构及制备过程 紧密相关 若组分、结 构已定，则制造过程对残余应力的影响就要占优势，这样残余应力的大小也可说明工艺参敦的 选择是否得当。复合材料的强度、几何稳定性及结构的整体性都会因预应力存在而受影响，预 应力过大，难免会 产生裂纹 或银 纹。因此，要设计、制造与应用复合材料就需要了解固化过程中 产 生的残余应力。十多年来，国外在残余应力的实验或理论估算

3、上都做了大量工作 1 d 要研究这个问 题 就需对 复合材 料及制备 过程 有足够 的了解。本 文讨 论了应力 释放温 度 t 用 D MA法 定出其 值。由于缺乏有效方法，本文探讨的内容仅限于固化过后复合材料的降温过程。1 应力释放温度 层板中单层横向的应力松弛能力是影响层合残余应力的重要因素。化学收缩对残余应力 的贡献及残余应力的松弛行为与基体所处的力学状态有关 当力学状态发生转变时，材料的应 力松弛速度比相邻的力学状态都高 5 ，因此在转变区残余应力很难积累，原来积累起来的残 余应 力也要松 弛 本体系所涉及的转变是玻璃化转变，玻璃化转变温度更好地表征出应力释放过程的本质t 因此取之 为

4、应 力释放 温度，它 不一定 是固化 温度，也不 同于 H a h nHT定义的应力释放温度。测 本文于 1 9 9 0 年 2 月 2 8日 收刊 国家自拣科学基垒资助珥目 9 维普资讯 http:/ 壬|；，K 图 l 玻鼾 6 4 g 环氧 9 o 试样的 D M A曲线 度 4 4 3 K 法 也因此而不 同，本 文使 用 D MA(动态 力学分 析 法)，采 用 9 O。试样损耗模量达 到极值 时的温度 作 为应力释放温度(也就是玻璃 化温 度 T )。由 e n a 试样 高温静态拉 伸实验 可知，在 由此得到 的玻璃 化 温度 附近，拉 伸 曲线形 成 的滞后 环达到 最 大，也

5、证 明 时应力松 弛程 度最 大，表 明将 取 为 应力释放温 度是合理 的。9 0 试样的模量一 温度谱如 图 l 所 示。由此 得 到 的应 力 释放 温度 为 4 3 0 K，低于 体 系 的 固化 温 2 层舍残余应变 的计算 高于应力释放温度 的这 一阶段虽 可计 算出残余应变，但与之对应的残余应力 松弛较快，相 对于室温附近材料内产生的残余应力来讲可以忽略 在应力释放温度以下，将材料横向的力学 行 为看作是 线弹性 的，由于 降温 产生的层合残余应力也不再 橙弛，因此将应力释放 温度作为计 算产生残余应力 的残余应变的起点。取 自由态单向板的热应变值 为计算本文中层合板内层合残余应

6、变的基准，本文讨论的层 台板结构 为E 0 t 9 0 3 ，此对称正交层板 中单层 主柚方 向的残 余应变 为 如=一(1)=鹦一(2)其中 e ，。为测得的无约束状态下(自由态)的单向材料从应力释放温度降至某一温度 时，0。及 9 o 方 向的 自由热应 变 e c-,为正交层板 在 自由状态或受约 束状态下(如 在模 具中)测得 的正 交层板正轴方 向在同一温度区间的应变值，自由状态下的 ec-也可以由 及 用层板理论计 算，得 出理 论值。本文中，及 ec-的测定采用应变片包埋法。由于使用了碳纤维 环氧 O。方向上使用的自 由补偿短接式应变片，简化 了原有 的测量方法。3 实验 3 1

7、 材料 所用 的基 体为用 3 的 B F a I v I E A固化的 6 4 8环氧树脂，用高强 2 玻纤作增强纤维，用滤 纸作 吸胶材料。层板 的铺层方 式分 别为E 0 9 0-，0 m 应变 片置于板中面的中间部位，使 用高 温导线并采用 三线接法。s 2 层板制备 层板是用压 机制备 的，正交板与单向板在 同一模具 中压制、固化，固化条件 为；室温 兰 +3 6 3 K 3 6 3 K d l 3 K Ld l 3 K d 4 3 K 一 d 蜘(室温 加压 点温度 为 3 8 8 K，固化过 程及降 温过程保持 的压 力为 0 4 9 M P a，所得材料 的纤维体 积 含量为

8、6 5 ，由 D MA 曲线可知，用本工艺 固化 的材料 固化完全(见图 1)。1 0 维普资讯 http:/ 降温时监测包埋应变片的输出，及，是把层板放在烘箱里测定的。4 结果与讨论 1 降温过 程中材料主轴方向 的热应变 曲线 图 2为降温 过程材料主轴方 向的热应变曲 线。由图可知，材料各 自由应变值与模具中的材：料的应变值有较太差异，这是因为辅助材料、模言 具及 层板 的热机械性 能 不同，在包埋应 变 片试 样的端头 流出的树脂固化后对试样与辅助材 料 的 自由变形 形成 约 束 I 聚 四氟 乙烯 隔离布 虽 不 能与试 样及吸 瞍层发 生化学粘 合，但在它 们 之 间存在 着明显

9、 的静 电作用 因此 辅助材料 对 层板 的约 束是 难 以捧 除的，约束的 太小应 与辅 助材料 的质 地及 使用量有关。虽本实验采取措 施 消除模 具的影响，但并不 能保证完 全消除。如 果模 具所 起的作 用不 可忽略，则压 机的 测试 结 图 2 降沮过程材料主轴方向的热应变曲鲤 1，2 单 向扳 O 方 向 j 3，4 对稚 正交扳 主轴方 向 I 5，6 单 向扳 9 0 方 向I l t 3 t 5 烘箱中涮得的受琨 应变值 j 2-4-模具斟碍的受限应变值 果与热压罐的结果就不同了。因此图 2 中的 2，d，6 三条曲线实际上是模具、辅助材料和试样间 综合作 用的结果。4 2

10、层 板所 受的约束 图 3 所示的应变差一 温度曲线由图 2 中受限热应变与 自由热应变的差值而得。这一差值代 表的约束不仅与温度有关，也与材料有关。由图 3同一温度下 曲线 l及 曲线 3给 出的差值 可得到 单向板所受 的约束应 力，将正交 层 板作 为准各 向同性的整体来处理，甩经典层板理论处理 曲线 2，也可 以得 到模具中 的正交层 板 的受到 的平均 约束应力，结果示 于图 4 E 3 科 崔 奇 苫=*，K t K 圈 3 层板的应变整一 程度曲鲤 圈 4 降诅过程中模具中的层楹的平均约 1 单向覆 o 方向I 柬应力 度曲线 2 对稚正交扳主轴方 向I J 单 向楹 o 方向

11、2 单向板 9 o 方向I 3 单向扳 9 o 方向 3 对称正交层楹中单层的主 方向 由图 4可知，这种约束应 力总的来 讲，随 温度 的降低而 增加，而 且材料 某方 向的膨胀 系数 越小，则该方向所受到的约束压应力越大由于降温过程中 9 0*方向的膨胀系数下降幅度大，因而显示 出与 O 方 向及 正交层板正轴方 向不同的变 化趋势。-l1 维普资讯 http:/ 由上面 的讨论可知，这种 约束应力是 一种高层次的结构热应力。与 自由状态 的正交层 板中 的层合残余应力相比是不可忽略的。因此模具中单向板的热应变输出值不适于作为受约束的 层板的 层台残余 应力的计算基 准，应该使 用 自由状

12、态下 的输 出值。4 3 正 交层 板主轴方 向热应变理论值与实验值的对 比 图 5 a中 曲线 2，4 是 以 4 4 3 K为计算 的起 始温 度，由经典 层板理论估算 的正交 层板 的热应 变曲线 曲线 4 与曲线 3 之间每 1 0 0 K的平均误差为 9 0，曲线 2 与曲线 l 之间每 l 0 0 K的平 均误差 为 1 6 由模具 中的单 向板热 应变得到的预测值 出乎意 料地接 近模具 中正 交层板 的 热应变 实测值。图 5 b采 用本文 所确 定 的 应力释 放 温 度作 为计 算 的起始 温 度，曲线 4与 曲 线 3之 间 每 1 0 0 K的平均 误差为 5 1，曲线

13、 2与曲线 l之间每 1 0 0 K的平均误差 为 5 7 E S 世 E 起始温度为 4 4 3 K b 起始温度为 4 3 0 K 圈 5对 称正交 层扳热 应变的 实验值 与理论 值问的 对 比 l，3。实验值I 2 4|理 电值 l，2-曼约束状卷，3 4 t 无约束状态J 总之，两种方法都比较满意地预测出正交层板的热应变行 为，用应力释放温度作为计算的 起始温度计算结果更合理一些。曲线 2 与曲线 1 接近是由于单向板与正交板的约束源相同，0。方 向与 9 0 方 向受到 的约束叠和 为正交 层板所受 的约束。只要 辅助材料与 板问 的整体性存 在(辅助材料不破裂)，曲线 2 与曲线

14、 1 之问的接近便是必然的。由于实验值与理论值吻合较好，只要测得两种状态下单向板的热应变值，由经典层板理论便可以获得所需的两种状态的正交 层板热应变值及残余应变值，它们自然与实验值相吻合。4 4 正变层板中单层主轴方向的残余应变值 图 6和 图 7是以 4 3 0 K作为应力释放温 度，用 自由态 的单 向层板作计算 的基 准算 出的正交 层板中单层的纵向及横向的层合残余应变值。曲线 1、曲线 2 是分别由式(1)及式(2)用 自由态正交层板的热应变实验值算出的层合残 余应变值，曲线 5、曲线 6 是用理论值得到的相应结果，正如前面所述，曲线 2与曲线 6 曲线 5 与 曲线 I 是非常接近的

15、。由此算出的残余应变值即为一般所讲的材料的层合残余应变值。曲线 3、曲线 4 是由式(1)及式(2)用模具中正交层板的热应变实验值算出的残余应变值。由图可见，曲线 3，4 与曲线 1，2 有 明显的差别，这种差别是 由正交层板所受到的约束造成的，由于正交层板受到约束压应力，因此 O。方向的残余应变值要增大，所以曲线 3 在曲线 1 之下，由于类似的原因，曲线 4 在曲线 2 之下，由此算出的残余应变值表征的是正交层板在成型过程 1 2 维普资讯 http:/ 中，在 所指定的基准下的制造残余 应变，包 含了模具、辅 助材料等各种 因素的综合作 用。它与材 料的层合残余应变是不同的，这是测量与推

16、算残余应变所不可忽视的问题。、世 *：；3 3 3 3 3 5盯 3 3 93 4 1 3 4 3 K E 0 世 图 6 对称正空层扳中单 图 7 对称正交层板中单层 层 方向的残余应变曲绒 9 0。方向的残采应叠 曲线 4 5 对称正交层板 中单层 主轴 方向的层舍残余应力值 图 8是 由图 6、图 7中的残余应变值 算出的层合 残余应 力值。曲线 l，2，3，d，5，6分别是对应于 图 6、图 7中曲 线 l，2，3，5，6的层合 残余应力一 温度 曲线。曲线 l，i 2 分 别接近于 曲线 5，6是不难理解 的。曲线 l与曲线 2 基本上是对称于 T轴的，曲线 5与曲线 6 也是 一

17、若 样，曲线 的总趋势可 由经 典层板理论作 出辩释，这是 制 成的层板 内的层合残余应 力。曲线 3与 曲线 4不 对称 于 T轴，因为正至 层板 的自由热应变受约束压应力的作用，曲线下移。因而 曲线 3在 曲线 l，5之下，曲线 4 在 曲线 2，6之下，由 3 1 3 3 33 3 3 7 3 3 9 3 4 1 3 4 3 3 f K 囤8 瘦泉应力一 诅度曲线 此算 出的层合 残余 应力与制 成的材料内的层合残余应力是不同的，为区别起 见，将它 称为制造 过程残余应 力。由于一般计算所用的原基本数据均得 自由态单向板，所采用的计算方法一般也将 自由态 的单 向板 作为基准，极少 采用

18、受约束的单 向板做 基准，提 出这一概念 不仅更 好地表征了工艺过 程 中正交 层板 内单 层的受力状 况，也便 于从 自由态的单 向板基 本性 能出发估价 残余应 力对材 料 的影响。由图 8可知，残余应力随温度而变，本文虽采用低于固化温度的应力释放温度降低了层合 残余应力的估算值，但在室温附近的残余应力相对于横向强度来讲仍是不可忽略的。由本文可知，辅助材料及模具对材料内的残余应力是有显著影响的，辅助材料与模具材料 的选 择不是任意 的，它可以作为控制固化过程残余应 力的手段。5 结论(1)应变片包埋法研究降温过程的残余应力是有效的，实验值与层板理论估算值能比较 l 3 维普资讯 http:

19、/ 满意地吻合起来。(2)应变片包埋法在揭示模具 及辅 助的材 料对层板热 应变 及层合 残余 应变、层合 残余应 力的影响方面有独到之处，这种热弹性的约束相对于层合残余应力的大小来讲是不可忽略的。(3)选定基准后发现，复合材料的层合残余应力与制造过程中材料的层合残余应力是不 同的。为 了区分这两类残 余应力，本文提 出了制造过 程层合残 余应 力这 一概 念。(4)本文使 用的应 力释 放温 度测法简单、迅速、有明确的、与材料特性 相关的含义。参考文献 r 1 W e i t s ma n Y R 酬u a l t h e r ma l 曩 t f 日8 鼯 d u eI o c o o 1

20、 o w n o F e 帅x y r e s i n mp(目 t 旧、J Ap p l i e dMe c h a n k 1 9 7 9，(4 6)l 5 6 3 r 2 1 D a n i e l I M ub e r T E m J n i n a L m r e I d L ml M in fi b e r c o r n p o s B NA S A C R I 3 4 8 2 6-1 9 7 5 胡p e a n o N J；Ha h n H T E Y 叫u a 啪n。f c o r n p J t e c u r i n g 嘣B 啦 C o,n e Ma t e r i

21、a l s=T e s t i n g a n d O e g n(4 1 h c o p e*e o e)A STM S TP 91 7 3I 7 32 9 r 4 C h a mi sC C S t r u c t u r e d e s ig n a n d a n a l y s t s P t 2 A c a d e mic P I n c I 9 7 5 2 6 9 5 N ie 1 m m l L E 高分子和复台材料的力学性能 北京：轻工业 艇社t 1 9 8 I 6 5 A N EXPERI M ENTAL STUDY oF LAM I NATI ON RESI DUAL S

22、 TRAI N AN D STRES S I N C0M PoS I TE DURI NG FABRI CATI ON S on g Hua nc h e n g Ll J i a n xin(De 4 Ma t e s s c i a n d En )A B RACT The o f t h e 90。s p e c i me n s o f t h e UDC me a s u r e d by DMA was t ak e n a s t h e s t r e s s-f r e e t e mp e r a-t u r e i n the p r e s e nt wo r k T

23、h e the r ma l s t r a i n s o f the UD C a n d s y mme t r i c c r o s p 1 y l a mi n a t e(S CP L)ma d e o f f i b e r g l a s s 6 4 8 e p o x y wo r e me asu r ed b y me a n s o f e mb e d e d s t r a i n g a g c E x p e r ime n t a l r e s u l t s we r e tre at e d b y t he c l a s s i c a l l a

24、 m i n a t i o n t he o r y a nd i t h a s b e e n s h o wed t h a t t h e a na l yt i c a l p r e d i c t i on s we r e i n g o o d ag r e e me n t wi t h the e x pe r i me n tal d a ta，as we l l 4 s t h a t d i f f e r e nc es b e t we e n t he lam a U o n d u a l s t 2 c 8,(L RSo s)in c o mp o t e a n dt h eL RS 融 in c o f n p 0 s f d u r i n gf a b r i c a t i o nsho u l dbe d j s n n g u i s hed Ke y wo r d s：r e s i d u a l s t r a i n，r esi d u s t r e S S，c omp o s i t e，l a mi n a t i o n l 4 维普资讯 http:/