金属基复合材料热膨胀特性研究.pdf

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1、，l 测试分析 金属基复合材料热膨胀特性研究 堡堕壬嚏焦 吴运学 艾玉春(中国航天工业总公司 7 0 3所北京l q O 0 7 )、一。文摘采用应变片连续记录法对金属基复合材料在冷热交变下的热膨胀 特性 进 扦 j试验研 究。试验 结果 表明，金属 基复合材料 在热循 环时显示 了非线性 的 热膨胀 曲线，产生 滞后环 和 残余 应 变，其 量级 与金 属基复合材 料_的种 类、基体 的初始应 力状 态及 热幅度有 关。本文对滞后环、残余 应变产生的原 因及 金属基复 合材料 的尺寸稳定 性等进扦 j研 究。Ab s t r a c t By u s i n g s t r a i n g

2、a g e c o n t i n u o u s r e c o r d i n g me t h o d，t h e r ma 1 e x-p a n s i o n o f me t a 1 ma t r i x c o mpo s i t e s we r e me a s u r e d d u r i ng t h e r ma 1 c y c l i n g I t s h o ws t h a t t h e t h e r ma l e x pa n s i o n c u r v e o f me t a 1 ma t r i x c o mp o s i t e s i

3、s n o n l i n e a r a n d t h e e x p a n s i o n i s c h a r a c t e r i z e d b y h y s t e r e s i s 1 o o p s a n d r e s i d u a l s t r a i n d ur i n g t h e r ma l c y c l i n g，a n d wh i c h l e v e l i s h i g hl y d e p e n d e n t o n t h e k i n d o f c o mp o s i t e s，t h e r e s i d

4、 u a 1 s t r e s s s t a t e i n t h e m a t r i x a nd o n t h e t h e r ma l s t e p Th e c a u s e o f h y s t e r e s i s l o o p a n d r e s i d u a 1 s t r a i n，t h e di me n s i o n a l s t a b i l i t y o f m e t a l ma t r i x c o mpo s i t e s e t c we r e s t ud i e d 关键 词应变 片连 续 记录，环，残余

5、应 变，尺 寸稳定性 1 前言 长寿命宇 航结 构材料，要 求材料具有较 高的 比强度、比刚度和较好 的热传导性。在 空 间冷热交变(一般为 一l 2 0 1 2 0 C)下，要 求材料具 有较 低的热膨胀率，以提 高尺寸稳 定性 金属基复合材料在这些 方面具有很大 潜 力。适当选择增强纤维和 基体 的类型、铺 层 和铺 层取 向，能使金 属基复合材料满 足上 述要求。金 属基 复合 材料 由两种 性 能差 异很 大 的增强纤维和金属 基体组 成，其热响应特性 与金属材料的热响应特性相差较大。在金属 基复合 材 料制 造过 程 中，由 于纤 维 与基 体 宇 航材 料工 艺1 9 9 4年第

6、4期“”，型旦 型，苎 些滞 后 的热膨胀 系数有较大差别，因此在材料 内部 产生较大的热残余应力 。该残余应力对金 属基复合材料的热膨胀特性有显著影响，导 致 在热循环加热与冷 却段 之间的应 变滞后，并 产生残余应变，其量级取决于在热循环 到 温 度极值 时基体的屉服 程度。S Mi t r a 1 3 等 人使 用。Or t o n 膨 胀计 对正交 铺层 P I O 0石 墨 纤 维 增 强 6 0 6 1铝 复 合 材 料(PI O O Gr 6 0 6 1 A1)板 材 热 膨 胀 进 行 了 试 验 研 究，T o mp k i n s 2 等 人 采 用 激 光 干 涉 膨 胀

7、 仪 对 Gr A1、Gr Mg材料 的热膨 胀进 行 了测量，B K Mi n a 2 等 人 采用 应 变 片逐 点 测试法 对 不同热处理状态的 G r，A l 单 向板热作用机 一37 维普资讯 http:/ 理的研究以及李贤淦、王鸿华“等人对不同 热处理 状 态的碳 纤维增 强铝基 复合 材料 的 热膨胀性能的研究，都表明了金属基复合材 料具有非常低 的热膨胀 系数，各 个温 度区间 的热膨胀 系数不 同，材料在 升温与 降温时的 膨胀和收缩过程是 不可逆 的，产生滞 后环和 残余应变。目前，还 没有关于金属基 复合材 料在模 拟空 间热环境下 的热膨 胀性 能的测试方 法。因此本文

8、 的 目的，一是探索 金属基 复合材料 在空 间热环境下热膨胀性 能 的测试方法 二 是对 几种 金属基 复合材 料 的热膨胀 特性 进 行试验研 究。2 试验 2 1 材 料 2 1 1 碳 化 硅 纤维 增 强铝 基(S i c f AI)材 料 该材 料 由国防科大 1 9 8 9年 生产，碳 化 硅纤维为 尼卡 隆。制造 工艺是：用 S i C纤维 浸铝，预制丝 0。铺排，共铺 四层，每 层预制 丝 之 间及 最外 层各铺 一 层 0 1 mm 厚 的纯 铝箔，然后热压扩散结 台。材料的纤维体积 含量 为 3 O 3 5 。2 1 2 碳纤维增强镁基(C Mg)材料 该材料由上海交大

9、1 9 9 0年生产，碳纤 维为 M4 0。制造工艺是：用碳纤维 0。铺排，然后 用熔 化的金属 镁浇铸成板材 材料 的纤 维体 积含 量为 4 O 。2 1 3硼纤维增 强铝基(B L D2)材 料 该材料 由航空航天 部 6 2 1所 1 9 9 3年初 生产，硼纤维用 CVD法生 产。纤维 O。铺排 后 与 L D2铝箔 经真空热 压结 合。材料 的纤 维体 积含量为 4 8 5 O 。2 2 试验装置 采用新研制 的冷热交变 试验装置。该装 置主要 由主机、加热 冷却 系统 和微 机控 制系 统组成。整个试验 过程包括温度控制、数据 采集处理、温度一 时间关系及应变一 温度关系 一3

10、8 一 显示和冷热交变适时 自动转换等，都 由计算 机完成。热膨胀 测量 由粘贴在试样 上的应变 片将 试样 的 热应变 信号 经动 态应变仪 放大 后输入微 机，经 数据 处理 后在绘 图仪上 自动 绘 出应变一 温度关 系曲线。2 3 试验过程 t 用 应变 片测 量材 料热 膨胀 的基本 原理 是：把应变 片用 相同 的方法分别粘 贴在线膨 胀 系 数近 似 为 零 或 为 一 常 数 的 标 准 试 样(A)上 和被测 试样(B)上，同时 测定其 由温 度变化引起的热应变 和，然后 由后者 减去前者，除以温度变化值，由此即可得到 被 测材 料在 该温度 范 围内的平 均线膨 胀 系 数

11、，其公式如 下：一(一 )A t+一 f+(1)式中 被 测试 样(B)的线膨胀系数；被 测试 样(B)上的热应变 标准试 样(A)上的热应 变；温 度变 化值 标准试样(A)的线 膨胀 系数。由此可见，由于标准试样的 近似为 零 或为一常数，只要保持 标准试样与 被测试 样处于相同的温度条 件，同时测出其热应变 及 温度，就能 按公式(1)求 出被测 试样 在该 温度范 围内的平均 线膨胀 系数。实际测量 时，将 标准 试样上的应变片与 被测试样上的应变片组成测量桥路，即可用 应变仪直接测 出被测试样 的热膨胀 本试验所采 用的标准试样 为石 英材 料，其线膨胀 系数为 O 5 41 O 一

12、。选用的应 变片为北京西蒙应变计厂生产的 B B Z 1 2 0 3 AA l 1型应变 片。为 了研 究的需要，在粘贴应变片之前将 部 分试 样 进 行 了热 处理，热 处理 制度 见表 1。将 未 处 理 的 和 经 液 氮 处 理 的 试 样 用 5 0 2胶 粘贴 应变 片，进行 2 O 1 2 0 C之 阅 的 宇航 材料 工艺1 9 9 4年第 4期 维普资讯 http:/ 热循环试验，以研究基体 的应力状 态对材料 热膨胀性能 的影响。将 其他试样用 J 6 一 o 2胶 粘贴 应变 片，进行 一1 2 o 1 2 0 及 一1 5 0 2 5 0 C之 间的热 循环试 验，以研

13、 究其 热膨 胀 特性。为 了消除试 样的弯 曲效应，在试样两 面 的对称 处各粘贴 一片应变 片。表 1 试 样 的热处 理制 度 试 样号 热处 理制度 C Mg l 、S i C f A L l 来处理 加热到 2 0 0 保温 2 h后 S i Cf At 一 2 用液氟 狰却到 一 1 9 6 C M g-2 、C M 3 、B 加热 到 1 5 0(2，保温 2 h L D2 1#、B L D2 2 、随炉拎 却 S i C AI 一 3 、S i C AI 一 4 试 验 时，升 温和 降 温速 率 为 2 3 r a i n，以保证试 样 的热膨胀 与温 度变化 的一 致性。3

14、 试验结果及分析 试验后，得 出试 样在不 同循环温度 区域 的热膨胀 曲线。为 了验 证 试 验 方 法 的 准 确性，首 先对 L Y1 2铝 合 金 试 样(CS状 态)在 2 5 0 一 6 0 C之 间进 行 热循 环试验，其结 果表 明，试 样 的应变与 温度基本 呈线性关系，经 计算 其 平均线膨胀 系数 为 2 3 5 1 0 ，与文献 值接近。金 属 基复 合 材 料 试样 在 2 0 1 2 0 C之 间循 环的试验结果见图 1和图 2。从图 中可 以看 出一个共 同的特点，即在 第一次循环期 间，初始加热 时应变 随温度 升 高而增加。当温度升高到一定程度时，基体 产生塑

15、性 变形，甚至发 生屈 服，应变 增量 减 小或 产生 负膨胀(C Mg一1 试 样)，在该 循 环结束时均产 生压 缩残余应变。由于材料及 基体 的初始 应力状 态不 同，其膨胀系数及循 宇航 材 料工艺1 9 9 4年第 4期 宝 X 蕾 l 脚 n I I-)-图 1 C Mg 一 1 试 样在 2 O 1 2 0 C之 间 3次循 环=X 普c 翻”“圈 2 S i C JA|试 样 在 2 O 1 2 0 之 间 3次循 环 圈中S i c f，A 1 1 试样(未处理)一一 C A1 2 试样(液 氨处理)环后的残余应变也不同。从第二次循环开 始，基体不再产生明显屈服，其循环后的残

16、 余 应变迅速减小，但均 产生应变滞后环。残余应变和应变滞后的产生，一般归因 于基体的初始残余应力及循环时基体应力 状态的变化。在第一次加热期间，基体 内的 张 应力 帮助试样 膨胀；随 着温度 的升 高、张 应 力逐渐 降 低，当其完全 释放 后，压缩 应力 开始增加，导致基体产生塑性变形，试样的 一39 维普资讯 http:/ 膨胀 系数减 小。当压缩应力增 加到 一定程度 时，导致 基体 压缩屈服，这 时 试样 的热膨 胀 取决 于纤维的热 膨胀，因而 出现了图 1中随 温度 升高而 产生负膨胀 的现象。在 冷却时，压缩应 力开 始释放并 帮助试样 收缩。随温度 进一步降低，张应力开始增

17、加，基体再次发 生塑性变形，试 样的膨胀 系数再次减小。但 张应 力的增 加未能抵 消 由压缩 应力 引起 的 基体屈服变形，最终在循环终点产生了压缩 残余应变。第一次循环大大降低了基体的残 余应 力，因而 在随后 的循 环 中，基体 不 再发 生明显屈服，残余应变也迅速降低。但在循 环期间，张应力与压缩应力交替的增加或降 低，导致在升 温和 降温 时交 替 出现弹性变形 和塑性变形的作用机理不变，应变滞后现象 1 毫 吨 捌。L 一 在多次循 环中始终存在。从 图 2中可以看到，经液 氮处理 的试样 与未经 处理 的试样其 第一次 热循 环曲线有 较 大差 别。经液氮处理 的试样，在基体 中

18、已 产 生了残余 压应 力，使试样 的热 膨胀 系数减 小，并 使基体 提前 发生塑性 变 形，在循 环终 点产生 了比未经处 理 的试 样大 得多 的残余 压缩应变。图 2中，未经处理的试样在 第一 次循环终点的残余应变约为一1 1 0+而 经 液 氮 处 理 的 试 样 的 残 余 应 变 为 一 7 1 O，说明 了残余应 力对 材料热膨 胀性 能 的 影 响。金 属基 复合 材料试 样 在 1 2 0 1 2 0 C 之间循环 的试验结果见 图 3、图 4和 图 5。度，图 3 C Mg 一 2 试样 在 1 2 O 一1 2 O 之 间 1 8次循 环 强度 图 4 B L D2 1

19、 试 样 在 一1 2 O 1 2 O C 之 间 l 0次循 环 从 图中看 出，所有试样在循 环到温度极 值 时，基体 均没有 产生 明显屈 服，但 由于循 环温度区域增大，其应变滞后环的面积相应 增加，试 样在各温度 区域 的热膨 胀系数有较 大差 别。由于 试样均在 1 5 0 下进 行过热 处理，基体的残余应力大大降低了，在循环温度不 超 过 1 5 0 C的 情况 下，基 体 不 会产 生 屈 服，一40 一 温度 图 5 S i C k A1-3 试样 在 l 2 0 一l 2 O c之 间 3次 循 环和 在 2 5 0 一 1 5 0 V之 间 3次循 环 因此每次循环所产生

20、的残余应变很小，保持 着较稳定的应变滞 后环。这说 明，对金属基 复合材料进行合理 的热处 理，将明显改善它 在使用环 境下 的尺 寸稳定性。为了证实以上结论，将部分试样在更大 的温 度区域(一1 5 O 2 5 0 C)进行 了热循环 试 验，试 验结果见 图 6、图 7和 图 8。宇 航材 料工 艺1 9 9 4年第 4期 维普资讯 http:/ 沮 度，c 量 疽，C i S 0一 加一 2 o 卸 1 拍】t 0 0 为O 温度，图 6 B L D2 2 试样 图 7 S i Cf A 1 4 试 样 图 8 C Mg 一 3 试 样 在 一1 5 0 2 5 O 在 一1 5 0 2

21、 5 0 在 一1 5 0 2 5 0 C 之 间 1 0次循 环 之 间 7次循 环 之 间 1 0次循 环 试样均在 l 5 0 C下进行过热处理。从图4 结论 中看 出，在第一次循 环期间，升温到 1 5 0 1 采用应变片法不仅能连续测量和记 以 前，基 体 均 未 发 生 屈 服。当 温 度 超 过 录试 样的整个热膨胀特性 血线，还能测量热 1 5 0 C时，基体开始屈服，随温度升高而 产生 膨 胀系数。负膨胀，在循 环终点 产生较大 的残余应 变。2 由于纤维和基体性 能 的差 异和应力 从第二次循环开始，有的试样不再产生明显 状 态不同，在热循环时，金属基复合材料的 屈服，残余

22、应变迅速减小，保持 比较稳定的 热膨胀 曲线形成滞后环，并有残余应变产 应变滞后环，但其面积较大。从图 7中看出，生 只有分温区计算，才能正确测定材料的 试 样从 第 二次 循 环 开 始，残 余 应变 逐 渐 减 热膨胀 系数。小，经过 7次循环后才基本保持 稳定。而从 3 热 处理 可 改变 材 料 的应 力状 态，提 图 8中看 出，C Mg 一 3 试样经过 1 O次循 环，高 材料 的尺 寸稳定性。其基体仍未稳定，每次循环均有残余应变产 参考文献 生，循环曲线不断 向下移动。笔者认为，这些 1 J o u r n a l o f M a t e r ia l s S c ie n c

23、 e 1 9 9 1 1 2 6：现象可从两方面解释。其一，在较高 的温 度 6 2 2 3 6 2 3 0 下，基体易产生屈服，残余应变在几次循 环 0 S t e P h e n S T o m p k n s G r e g。r y A D r s 中不易迅速减小，只有经 过 多次循 环使基体”逐 渐 稳 定，残 余 应 变 逐 渐 最 竺 达 稳 T1 g 8e s t8i nj 2 4g 8T 2 5e c l 8o 定 a 这种 现象 可以通过在更 高的温度下进 行 Mj B K，Gr 0 s。F w I i t。_ d 一 热处理来 消除 a其 二，循 环曲线不断 向下移 p d

24、 e n t t h e r m D h a n i c p o t i e。o f G r a p h i t 动归 因于试样在循 环期 间的界面破坏。当部 A l u ml n u m u n i d i r e c d o n a 1 c o mp o s i t e s I n；C o m p 0 s _ 分纤维一 基体交界面脱粘时，减少了对基体 i t e m a t e r ia 1 s：t e s t i n g d e s ig n，6 t h c o n f e m c e 的约 束，阻碍 了张 应力 在冷 却时的增加。但 4 王鸿华等 T3 0 0 L D 2 热循环时产生滞后 是在 对循 环后的 c Mg 一 3 试 样进行 金相检 环原因及改善方法探讨 一复合材料学报，1 9 9 0 7 查时，并未发现界面脱粘现象。因此，第一种【3)：3 5 4 1 原 因是 主要的。宇 航材 料工艺1 9 9 4年第 4期 一4 1 一 一 x 瑚 维普资讯 http:/