碳纤维增强铝合金层合板的残余热应力分析

本文中屈服点定义为拉伸曲线上屈服处前后线性
部分延长线的交点 ( 见图 3) 。图 3 示出铝合金的
拉伸曲线, 屈服应变 !y, a 为 0 46% 。
图 4 厂家推荐 的固化温度曲线图
本文中先将 CARALL 加热到 110 或 127 , 然后快速降到室温, 让树脂在较低温度先部分固 化, 放置 24 h 后再加热到 110 或 127 充分固 化 (见图 5)。由于树脂在第一次加热的时候已在 室温至 110 之间发生部 分固化 [ 6] , 则树脂的实 际固化温度应该在 25 到 110 之间 [ 7] 。高压罐 中的气压一律为 0 3 MP a。
第 28卷 第 5期 2008年 10月
文章编号: 1673- 4599 ( 2008) 05- 0022- 05
飞机设计 A IRCRA FT D ESIG N
Vo l 28 N o 5 O ct 2008
碳纤维增强铝合金层合板的残余热应力分析
薛 佳 1, 汪文学2, 徐元铭 1, 彭兴林1
( 1. 北京航 空航天大学 航空科学与工程学院, 北京 100083) ( 2. 九州大学 应用力学研究所, 日本福冈 816- 8580)
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飞机设计
第 28卷
由于铝合金是 CARALL 所使用的材料中唯一 有屈服特性的材料, 所以 CARALL 拉伸曲线中体 现出来的屈服特性必定是由铝合金决定的。 CAR ALL 中的铝合金薄板在固化后产生了一定的残余 热应变, 所以 CARALL 的屈服点和单纯铝合金的 屈服点会存在一点偏移, 而这两种材料屈服点位 移的差 值 正 是 CARALL 中 铝 合 金 的 残 余 热 应 变 [ 5] 。屈服点的偏差见图 2。
CARALL 的残余热应力主要是在碳纤维复合 材料固化的时候形成的, 残余热应力的大小取决
碳纤维增强铝合金层合板中的位移平衡方程
为:
a+ Ea
a
T=
c+ Ec
cT
( 2)
式中: T = T bond ing - T , room T bond ing 为树脂的固化温
度, 复合材料生产厂家推荐的固化温度为 127 。
T room 为室内温度, 在本文中定为 25 。 a 和 c 分 别表示铝合金薄板和碳纤维复合材料在纤维方向
Abstract: T his research is about the analysis and reduction o f therm al residua l stress in CFRP /A l lam inates( CARALL ) , w hich is fabricated by carbon f iber re in forced p last ic( CFRP) com bined w ith a lum inum a lloy( AL ). Large therm a l residual stress in the a lum inum alloy is generated during the cu ring process of CARALL due to the large m ism atch of the coefficient of therm al expansion ( CTE ) be tw een CFRP and alum inum a lloy. Several m ethods are invest igated to determ ine the therm a l residual stress in CFRP /A l lam inates and d ifferent tem pera ture prof iles are invest igated to reduce the actual bond ing tem perature o f CFRP and AL layers, since the therm al residual stress is determ ined by the difference betw een actua l bonding tem perature and room tem perature
( 5) 本文中使用的碳纤维复合材料为日本 TORAY 公司生产的 T 300 /# 2580碳纤维预浸料, 使用的铝 合 金 为 T2024- T3。 热 膨 胀 系 数 a = 23 10- 6 / , c相对于 a 太小, 可忽略。使用的铺层 为 AL / 004 /AL, 铝合金薄板的厚度为 0 5 mm, 单 层 T 300 /# 2580预浸料的厚度为 0 2 mm, 则 CFRP 的厚度为 0 8 mm, Ea = 71 GP a, E a = 140 GP a, E c = 140 GP a, 在 T bond ing 为 127 的 情况 下, 由式 ( 3)可计 算出铝合 金薄板中 的残余 热应力 a = 101 9M Pa。 1 2 屈服点测量法
的热膨胀系数。 从式 ( 1) 和式 ( 2) 可以得到:
a = ( a-
c)
T
E cEa A c EcAc + EaAa
( 3)
c =- ( a-
c)
T
E cE aA a E cA c + EaA a
( 4)
T
=
T - T bond ing
room
=
EcA c + E aA a a Ea EcA c ( c - a )
关键词: 复合材料; 碳纤维增强铝合金层 合板; 残 余热应力
中图分类号: V 257
文 献标识码: A
Analysis of Thermal R esidual Stress in CFRP /A l L am inates( CARALL)
XU E Jia1, WANG W en- xue2, XU Y uan- m ing1, PEN G X ing- lin1 ( 1. School of A eronautical Science and Engineering, B eijing Un iversity of
FRML 的研究早在上个世纪 70年代末就已经 在荷兰的 De lft科技大学开始了。芳纶 ( Aram id)纤 维复合板和铝合金薄板粘接而成的纤维增强金属 层合板称为 ARALL ( A ram id F iber R ein forced P las t ics / A lum inum A lloy) , 玻璃纤维复合板和铝合金 薄板粘接而 成的纤 维增强金 属层合板 为 GLARE ( G lass F iber R einforced P lastic / A lum inum A l loy) [ 2, 3] , 这两种纤维增强金属层合板已经由 D elft 科技大学成功开 发出来, 其中 GLARE 作为一种 新材料已经在 A380的生产中得到使用。
图 3 屈服点定义示意图
2 二次加热法降低固化温度
CARALL 的制作工艺和碳纤维复合板很相似 ( 见图 1)。先将碳纤维预浸料和铝合金板按次序 铺放在一 起压 紧, 本 文中 使用的 铺层 为 A l/004 / A L。然 后将 压在 一起 的碳 纤 维 预 浸料 和 铝 合金 板 放入密封袋中, 抽成真空, 放入高压炉中, 加压 加热, 待树脂固化后即可。
图 2 屈服点偏差示意图
!r, a = !y, a - !y, c
( 6)
a = Ea !r, a
( 7)
式中: !y, a 为铝合金 的屈服应变; !y, c 为 CARA LL
的屈服应变; !r, a 为 CARA LL 中铝合金板的残余热
应变; a 为 CARALL 中铝 合金板的残余 热应力。
在纤维增强金属层合板的研制早期, 碳纤维 复合材料由于其相对于芳纶纤维和玻璃纤维更高 的强度和刚度, 被选中与铝合金薄板做成碳纤维 增强铝合金层合板 ( CFRP /AL- FML ) , 简称 CAR ALL ( 见图 1 )。然而, 目前影响到 CARALL 开发 的两大难题还没有得到解决。第一个难题是, 碳 纤维和铝合金自然电势的不同导致碳纤维复合材 料和铝合金薄板之间发生电化学腐蚀。如果不给 予铝合金薄板正确的保护, 电化学腐蚀将会严重 降低铝合金的强度。第二个难题是, 由于碳纤维 复合材料和铝合金热膨胀系数的不同, 导致 CAR ALL 在加热后树脂固化的过程中产生很大的残余 热应力。该残余热应力将会降低 CARALL 的静态 强度和疲劳强度。如何解决好这两大难题已成为 CARALL 发展的关键。第一个难题现已基本得到 解决 [ 2] 。本文从理论和试验两方面分析 CARA LL 中的残余热应力, 并在 CARALL 的固化过程中使 用二次加热法降低树脂的实际固化温度, 从而降 低残余热应力。
于树脂的固化温度。本文使用了加热 - 冷却 - 再 加热的二次加热方法来降低 CARALL 的实际固化 温度, 从而降低残余热应力。
碳纤维预浸料生产厂商推荐的固化温度曲线 如图 4所示。在这种情况下, CARALL 的固化温 度为 127 ; T 为 102 ; 计算得到铝合金板中的 残余热应力为 101 9M P a。
第 5期
薛 佳 等: 碳纤 维增强铝合金层合板的残余热应力分析
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助于改进纤维方向的拉伸性能, 有助于改进纤维 胶粘剂层的 剪切强度、挤FRM I的拉伸强度, 也就是可获得高于单层金 属的疲劳性 能。鉴于此, FRML 主要用在 对疲劳 敏感的结构上, 比如用来制作飞机机翼和机身 [ 1] 。
A eronautics and A stronau tics, Be ijing 100083, China) ( 2. Research Institute for App liedM echan ics, Kyushu U niversity, Fukuoka 816- 8580, Japan)
摘 要: 碳纤维增强铝合金层合 板 ( CARALL )是由 碳纤维 复合材 料和铝 合金薄 板制成的, 由于碳 纤维复 合材 料和铝合金的热膨胀系 数相差很大, 加热固化后会产生较大的 残余热应 力。本文对 碳纤维 增强铝 合金层 合板 中残余热应力进行了分 析, 并在 碳纤维增强铝合金层合板的加 热固化阶 段, 使用二 次加热 法来降 低碳纤 维复 合材料和铝合金薄板的 粘结温度, 从而降低残余热应力。
层合板中纤维方向的残余热应力是影响力学性能 的主要因素 [ 4] , 本文只对纤维方向的残余热应力
进行计算。
碳纤维增强铝合金层合板中力平衡方程为:
Aa a + Ac c = 0
( 1)
式中: Aa 和 A c 分别是铝合金薄板和碳纤维复合材
料的截面积; a 和 c 分别是铝合金薄板和碳纤维
复合材料在纤维方向的内应力。
图 1 CARALL 加工示意图
1 FRM L的残余热应力分析
1 1 经典层合板理论计算
在碳纤维增强铝合金层合板中, 碳纤维复合
材料垂直纤维方向的热膨胀系数与铝合金的热膨
胀系数差别很小, 所以垂直纤维方向的残余热应
力很小。由于碳纤维复合材料纤维方向的热膨胀
系数和铝合金差别很大, 所以碳纤维增强铝合金
料则比铝合金更轻、更强. 而且具有低的膨胀系 数和良好的疲劳性能, 不过其耐环 境能力较差, 压缩强度和可加工性也不如铝合金。采用交替铺 层, 把铝金板和纤维增强复合材料制成纤维增强 金属层合板, 则可取长补短 [ 1] 。
纤维增强金属层 合板 ( FRML ) 中的金属层有
收稿日期: 2008- 06- 06; 修订日期: 2008- 09- 09
K ey w ord s: com posite m ater ia;l CFRP /A l lam ina tes; therm a l residua l stress
二战之后, 铝合金一直是航空航天产品的首 选材料, 因为它有较高的比强度和比刚度、良好 的断裂韧性和耐腐蚀性能, 但它现在正面临着钛 合金和碳纤维增强复合材料的挑战。钛合金不仅 具有铝合金的优点, 而且使用温度更高, 不过其 疲劳性能与铝合金一样也比较差。碳纤维复合材